Вызванное нагрузкой повреждение мышц и воспаление

Н.В. Зотова

N.V. Zotova

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, Екатеринбург

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург

Institute of Immunology and Physiology of UB RAS, Yekaterinburg

Auto Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education “Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin”, Yekaterinburg 

zotovanat@mail.ru

Ключевые слова: мышечное повреждение, воспаление, цитокины, миофибриллы, креатинкиназа.

Abstract. Molecular basis of exercise-induced muscle damage are described as well as its correlation with local and systemic inflammatory response.

Keywords: muscle damage, aseptic inflammation, cytokines, myofibrils, creatine kinase.

   Современные исследования свидетельствуют о роли локального и системного воспалительного ответа при повреждении скелетных мышц, описанного в зарубежной литературе как “exercise-induced muscle damage” (EIMD) [1, 2]. EIMD связано с болезненностью мышц или дискомфортом, а также заметным снижением силы мышц в течение 12–72 ч. после тренировки, что является наиболее общим симптомом EMID, названным “крепатурой” или “синдромом отсроченной мышечной боли” (Delayed onset muscle soreness, DOMS) [3, 4].

   Согласно современным представлениям [3], гистологической основой DOMS является механическое повреждение части саркомеров миофибриллы (Z-line streaming) и, соответственно, невозможность вернуться в исходное состояние в период фазы расслабления мышцы. Это повреждение распространяется на близлежащие области мышцы и приводит к субклеточным повреждениям, таким как, разрушение окружающей саркоплазматический ретикулюм мембраны, поперечных трубочек и непосредственно мышечных волокон. Эти изменения последовательно вызывают нарушение связи возбуждение-сокращение в поврежденных саркомерах и приводят к высвобождению ионов кальция из саркоплазматического ретикулюма в цитоплазму, где они активируют протеолитические ферменты, запуская, таким образом, дельнейший распад миофибрилл [3, 4]. Повреждение мембраны мышечного волокна также способствует поступлению внеклеточных веществ (альбумина и фибронектина). Во время этой первой фазы, асептическое индуцированное нагрузкой мышечное повреждение (EIMD) запускает воспалительный ответ, ассоциированный с активацией лейкоцитов, отеком и нарушением функций мышц, крепатурой (DOMS), повышенной реализацией белков в интерстициальное пространство и циркуляцию, а также с повышением температуры мышц [5].

   Перечисленные симптомы и изменения с позиции патофизиологии являются признаками развития системной воспалительной реакции (СВР), описываемой при различных заболеваниях и физиологических состояниях (беременность, секс) [6]. В свою очередь, саму СВР можно рассматривать как неспецифическую «воспалительную» составляющую общего адаптационного синдрома (по Г. Селье), а локальный ответ – как местный адаптационный синдром на локальное повреждение мышц. Неудивительно, что в качестве маркеров EMID рассматриваются и только апробируются хорошо известные и широко распространенные в клинической практике маркеры СВР, в виду неспецифичности воспалительного ответа на различные стрессоры [7].

   Локальный воспалительный ответ при EMID. Первыми клетками, инфильтрирующими в течение 4-6 ч. травмированный участок мышцы становятся нейтрофилы, и повышенное их содержание выявляется на протяжении 24 ч. после повреждения [8]. В последующие 1-14 дней после травмы, основными клетками инфильтрата становятся макрофаги [9]. Основная задача лейкоцитов в первые сутки после нагрузки – “очистить” место повреждения от обломков своих же мышечных клеток (разрушенных протеинов) в процессе дыхательного взрыва, реализуемого при участии активных форм кислорода и азота [10], протеолитических ферментов [11], а также синтез провоспалительных цитокинов: IL-1β, IL-6, IL-8, TNF-α и др. [9]. Эти же самые механизмы реализуются и в очаге воспаления, вызванного микроорганизмами. Кроме того, усиливается и хемоаттракция иммунных клеток к месту повреждения. Описана и вторая волна цитокинового ответа, за счет их продукции поврежденными скелетными мышцами на протяжении нескольких дней в период восстановления [12].

   Системный воспалительный ответ. Установлено, что иммунный ответ более выражен на эксцентрический тип упражнений, чем на другие виды нагрузок, объединяющих и эксцентрическую и концентрическую нагрузки. Это отличие связано с разными характеристиками нагрузки (интенсивность, продолжительность, объем), вовлеченными в работу группами мышц и типом сокращений, что влияет степень выработки гормонов стресса [13]. СВР обычно связывают с изменением уровней провоспалительных цитокинов, например, IL-1β и TNF-α, в плазме крови [14], что свидетельствует уже о вовлечении в продукцию цитокинов помимо мышечных клеток и других типов клеток. Интересно, что уровень цитокинов может оставаться высоким и в фазу регенерации (по завершении фазы воспаления) за счет активации сателлитных клеток и высвобождения анти-воспалительных медиаторов таких как, кортизол, IL-1ra и IL-10 [15]. Стоит, однако, учитывать, что разделение воспаления на фазы довольно условно, как и деление медиаторов на про- и анти- воспалительные, так как продукция и тех и других медиаторов происходит практически одновременно [16]. Кроме того, по содержанию цитокинов в крови невозможно судить о месте их продукции, поскольку большинство клеток организма способны в той или иной степени продуцировать воспалительные медиаторы, а локальное воспаление может не приводить к системному повышению указанных факторов.

   Воспалительный ответ и активность креатинкиназы. Особый интерес представляет выявленная некоторыми исследователями взаимосвязь пост-нагрузочных уровней провоспалительных цитокинов с активностью креатинкиназы (КК) и уровнем миоглобина (маркерами EIMD) в крови. В частности, при слабом уменьшении работоспособности, определяемому по Paulsen с соавт. [17] как снижение силы <20%, уровень активности КК в крови остается <1000 Ед/л, воспаление локально, восстановление обычно быстрое (в течение 12-48 ч.) независимо от типа упражнений [18, 19]. При умеренном снижении работоспособности, выражаемое как снижение силы до <20% - 50%, может наблюдаться некроз миофибрилл (особенно у высоко отвечающих), КК > 1000 Ед/л, более выражен воспалительный ответ с инфильтрацией лейкоцитами поврежденной ткани, очевидная деградация структурных и сократительных белков, период восстановления до недели [20]. Тяжелая степень снижения работоспособности - снижение силы >50%, сопровождается некрозом части миофибрилл, активность КК>10000 Ед/л, высокая болезненность, отек мышцы, интенсивный воспалительный ответ, характеризующийся значительной аккумуляцией иммунных клеток в травмированной ткани, период восстановления занимает 1-3 недели и более, в случае снижения силы >70% [21]. При тяжелом индуцированном нагрузкой повреждении мышц (EIMD) наблюдаются увеличение протеолиза и мышечной деструкции, даже при раннем восстановлении, наряду с нарушениями кальциевого гомеостаза [22]. Очевидно, что указанные варианты изменения работоспособности требуют разных стратегий восстановления спортсменов, включающих фармакологическую и нутритивную поддержку, применение физиотерапевтических методов реабилитации, восстановительные физические упражнения [23].

   Заключение

   Понимание молекулярных основ такого феномена, как вызванное напряжением повреждение мышц (EIMD), может стать фундаментом для создания новых подходов и стратегии тренировочного процесса с учетом индивидуальных характеристик атлетов, методов и средств оптимального и эффективного восстановления спортсменов не только после эксцентрической, но и других видов нагрузки, а также для поиска новых маркеров в оценке функционального состояния в целом.

   Список литературы

1. Kasperek G.J., Snider R.D. The susceptibility to exercise-induced muscle damage increases as rats grow larger [Text] // Experientia. 1985. № 41. P. 616–617.

2. O'Reilly K.P., Warhol M.J., Fielding R.A., Frontera W.R., Meredith C.N., Evans W.J. Eccentric exercise-induced muscle damage impairs muscle glycogen repletion [Text] // J. Appl. Physiol. 1987. № 63. P. 252–256.

3. Behm D.G., Baker K.M., Kelland R., Lomond J. The effect of muscle damage on strength and fatigue deficits [Text] // J. Strength. Cond. Res. 2001. V. 15. P. 255–263.

4. Peake J., Nosaka K , Suzuki K. Characterization of inflammatory responses to eccentric exercise in humans [Text] // Exerc. Immunol. Rev. 2005. V. 11. P. 64–85.

5. Tidball J.G., Villalta S.A. Regulatory interactions between muscle and the immune system during muscle regeneration [Text] // Am. J. Physiol. Regul.Integr. Comp. Physiol. 2010. V. 298. R1173–R1187.

6. Vincent J.L. Dear SIRS, I'm sorry to say that I don't like you [Text] // Crit. Care Med. 1998. V. 26. P. 178–179.

7. Nimmo M.A., Leggate M., Viana J.L., King J.A. The effect of physical activity on mediators of inflammation [Text] // Diabetes Obes. Metab. 2013. V.15, Suppl. 3. P. 51–60.

8. Raastad T., Risoy B.A., Benestad H.B., Fjeld J.G., Hallen J. Temporal relation between leukocyte accumulation in muscles and halted recovery 10-20 h after strength exercise [Text] // J. Appl. Physiol. 2003. V. 95. P. 2503–2509.

9. Hamada K., Vannier E., Sacheck J.M., Witsell A.L., Roubenoff R. Senescence of human skeletal muscle impairs the local inflammatory cytokine response to acute eccentric exercise [Text] // FASEB J. 2005. V. 19. P. 264–266.

10. Peake J.M. Exercise-induced alterations in neutrophil degranulation and respiratory burst activity: possible mechanisms of action [Text] // Exerc. Immunol. Rev. 2002. V. 8. P. 49–100.

11. Tidball J. Inflammatory processes in muscle injury and repair [Text] // Am. J. Physiol. 2005. V. 288. R345–R353.

12. Barbas I., Fatouros I.G., Douroudos I.I., Chatzinikolaou A., Michailidis Y., Draganidis D., Jamurtas A.Z., Nikolaidis M.G., Parotsidis C., Theodorou A.A., Katrabasas I., Margonis K., Papassotiriou I., Taxildaris K. Physiological and performance adaptations of elite Greco-Roman wrestlers during a one-day tournament [Text] // Eur. J. Appl. Physiol. 2011. V.111, № 7. P.1421–1436.

13. Toft A.D., Jensen L.B., Bruunsgaard H., Ibfelt T., Halkjaer-Kristensen J., Febbraio M., Pedersen B.K. Cytokine response to eccentric exercise in young and elderly humans [Text] // Am. J. Physiol. 2002. V. 283. P. 289–C295.

14. Smith L., Anwar A., Fragen M., Rananto C., Johnson R., Holbert D. Cytokines and cell adhesion molecules associated with high-intensity eccentric exercise [Text] // Eur. J. Appl. Physiol. 2000. V. 82. P. 61–67.

15. Petersen A.M., Pedersen B.K. The anti-inflammatory effect of exercise [Text] // J. Appl. Physiol. 2005. V. 98. P. 1154–1162.

16. Steensberg A., Keller C., Starkie R.L., Osada T., Febbraio M.A., Pedersen B.K. IL-6 and TNF-alpha expression in, and release from, contracting human skeletal muscle [Text] // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2002. V. 283. E1272–E1278.

17. Paulsen G., Mikkelsen U.R., Raastad T., Peake J.M. Leucocytes, cytokines

and satellite cells: what role do they play in muscle damage and regeneration following eccentric exercise? [Text] // Exerc. Immunol. Rev. 2012. V. 18. P. 42–97.

18. Chatzinikolaou A, Draganidis D, Avloniti A, Karipidis A., Jamurtas A.Z., Skevaki C.L., Tsoukas D., Sovatzidis A., Theodorou A., Kambas A., Papassotiriou I., Taxildaris K., Fatouros I. The microcycle of inflammation and performance changes after a basketball match [Text] // J. Sports Sci. 2013. V. 32, No 9. P. 870–882.

19. Draganidis D., Chatzinikolaou A., Jamurtas A.Z, Carlos Barbero J., Tsoukas D., Theodorou A.S., Margonis K., Michailidis Y., Avloniti A., Theodorou A., Kambas A., Fatouros I. The time-frame of acute resistance exercise effects on football skill performance: the impact of exercise intensity [Text] // J. Sports Sci. 2013. V. 31, No. 7. P. 714–722.

20. Stupka N., Tarnopolsky M.A., Yardley N.J., Phillips S.M. Cellular adaptation to repeated eccentric exercise-induced muscle damage [Text] // J. Appl. Physiol. 2001. V. 91. P. 1669–1678.

21. Sayers S.P., Clarkson P.M. Force recovery after eccentric exercise in males and females [Text] // Eur. J. Appl. Physiol. 2001. V. 84. P. 122–126.

22. Proske U., Morgan D.L. Muscle damage from eccentric exercise: mechanism, mechanical signs, adaptation and clinical applications [Text] // J. Physiol. 2001. V. 537. P. 333–345.

23. Fatouros I.G., Jamurtas A.Z. Insights into the molecular etiology of exerciseinduced inflammation: opportunities for optimizing performance [Text] // J. Inflamm. Res. 2016. V. 21, No. 9. P. 175–186.