Frysetørrede muskelfibre kan løse langlivet muskelmysterium

Videnskabelige nybrud 17. feb 2021 6 min Professor Jørgen Wojtaszewski, Associate Professor Atul Shahaji Deshmukh +1 Skrevet af Morten Busch

Selv om utallige undersøgelser har vist, at fysisk træning er godt for kroppen, har det været vanskeligt at vise, hvorfor træning er godt. Det skyldes blandt andet, at det er svært at finde ud af, hvad der sker inde i selve muskelfibrene ved træning. En ny kombination af frysetørring af muskelfibre og proteomanalyse giver et øjebliksbillede af de mange ændringer, der sker, når muskler trænes. Forskningen fandt tusindvis af forskellige proteiner i hurtige og langsomme muskelfibre, og deres regulering ved træning blev identificeret. Det giver ny indsigt, der kan hjælpe til bedre at forstå og behandle mennesker, som har sygdomme.

Interesseret i Videnskabelige nybrud? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Pulsen stiger, mens sveden pibler frem på panden, og åndedrættet bliver hastigere. Det er både synligt og mærkbart, at træning påvirker kroppen. Men efter selv få træningspas føles det samme arbejde lettere – kroppen tilpasser sig. Ikke overraskende er muskulaturen central for disse adaptationer, men det har været svært at se og måle, hvilke ændringer træning medfører inde i kroppens celler, mens vi træner. Muskelbiopsier har i mere end 50 år givet forskere svar på iltning, stoftransport og muskeltype, men hvis man for alvor skal forstå musklernes funktion og ændring under træning, skal man længere ind, og det har hidtil været svært.

”Når man tidligere har taget en muskelbiopsi for at se på fibertyper, har der været flere begrænsninger. Den ene har været at analyseteknikkerne kun har tilladt analyse af nogle få proteiner på det meget begrænsede udgangsmateriale. Den anden har været, at fibrene tidligere har været isoleret fra friske biopsier, hvilket har været en logistisk udfordring,” fortæller medforfatter på en artikel om emnet, professor Jørgen Wojtaszewski fra Sektion for Molekylær Fysiologi, Institut for Idræt og Ernæring, Københavns Universitet.

Et stort team har skullet være klar på samme tid – forskere til at forestå selv forsøget/biopsitagning og forskere klar til straks at processere biopsierne. Alligevel har selve muskelfiberisoleringen og præparationen under mikroskopet taget lang tid, således at mange uønskede ændringer kan været sket inde i muskelfiberen undervejs. 

"Med vores nye teknik lynfryser og frysetørrer vi prøverne, så vi efterfølgende i ro og mag kan adskille de små fibre, opdele dem efter type og analysere, hvilke og hvor mange proteiner der er inde i cellerne. Vi var forbavsede over at se de mange tusinder af proteiner og de store forskelle mellem fibrene og reguleringen forbundet med fysisk træning," forklarer Jørgen Wojtaszewski.

Lidt ligesom frossen kylling

At træne regelmæssigt er beviseligt et af de bedste forsvar mod metaboliske sygdomme, såsom fedme og diabetes. For at forstå hvorfor har forskere i årevis forsøgt at analysere proteinsammensætning og ændring i forskellige typer af muskler under træning. 

"Muskelvæv udtaget med biopsiteknik indeholder ikke kun muskelfibre, men også en lang række andre typer af celler," siger Jørgen Wojtaszewski.

For at undersøge ændringer specifikt i fibrene skal disse isoleres fra de andre celler. Tidligere har denne isolering foregået fra helt friske muskelbiopsier, og det er både omstændeligt og gør fibrene ubrugelige til nogle former for analyse. Den nye metode skaber derfor helt nye muligheder.

"Straks efter vi udtager biopsierne fra en muskel, fryser vi dem i flydende kvælstof, og de kan nu opbevares sikkert i fryserne i længere tid. Det næste trin i vores analyse er, at vi tørrer biopsierne helt ud ved hjælp af frysetørringsproces. Herefter ligner muskelprøverne et stykke kyllingekød, man har haft liggende i fryseren for længe. Alle processer i cellerne stopper i biopsien. Prøverne kan herefter bringes op til stuetemperatur og dissekeres i et meget tørt rum så prøverne ikke suger vand til sig. Under disse forhold kan vi adskille muskelfibrene – enkeltvis og gør dem klar til analyse,” forklarer Jørgen Wojtaszewski.

4.000 forskellige proteiner

I det nye studie har forskerne brugt teknikken til at analysere forskelle på de langsomme type 1-musklefibre, der sikrer musklen udholdenhed, som fx en langdistanceløber har gavn af, og de hurtige, eksplosive type 2-muskelfibre som f.eks. sprintere typisk vil have gavn af. Efter at have skilt muskelfibrene fra hinanden lavede forskerne en såkaldt proteomanalyse.

”Det gør det muligt at tage et snapshot af muskelcellen og måle, hvor meget tusindvis af forskellige proteiner bliver udtrykt før og efter træning, og dermed forstå, hvad der gør en muskelfiber hurtig og hvad der gør en anden langsom,” forklarer medforfatter lektor Atul Deshmukh fra Novo Nordisk Foundation Center for Basic Metabolic Research ved Københavns Universitet.

Eller hvordan en normal fiber er stykket sammen og hvilke ændringer der ses ved sygdom, f.eks. diabetes. Til forskernes store overraskelse lykkedes det dem at finde mere end 4.000 forskellige proteiner i prøverne samt at vise, at fysisk træning ændrede udtrykket af hundreder af forskellige proteiner i både de hurtige og de langsomme.

”Denne forskning er meget tværfaglig og involverer humanfysiologer og proteomikeksperter. Denne forskning var mulig på grund af de nyeste proteomik-teknologier, der blev etableret på Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research under ledelse af Matthias Mann,” tilføjer Atul Deshmukh.

Et ufuldstændigt puslespil – med langt flere brikker

Det nye studie er den mest dybdegående analyse af hurtige og langsomme muskelfibre til dato, og den åbner muligheder i fremtidige studier, men det åbner også døren for nye analyser af muskelprøver, der er placeret i frysere rundt om i verden fra tidligere studier.

”Vi viser med det nye studie, at den her type analyser skaber en enorm viden. I vores studie cyklede forsøgspersonerne, og det ændrede udtrykket af 237 og 172 proteiner i henholdsvis de langsomme og hurtige muskelfibre. Det svarer til ~10% af alle de proteiner, der blev identificeret. Vi må formode, at andre former for fysisk træning vil ændre både fordelingen og antallet af proteiner,” siger Atul Deshmukh.

Selv om den enorme datamængde er en guldgrube, siger forskerne, at de nye data også udfordrer deres evne til at forstå.

”Noget af det her vidste vi godt i forvejen, og det bekræfter en del teorier, men datamængden udfordrer os samtidig, for puslespillet er blevet meget større/mere detaljeret end før og ser faktisk mere ufuldstændigt ud nu, selv om vi jo selvfølgelig reelt har fået mere viden,” fortæller Atul Deshmukh.

Puslespillet kan endda blive endnu mere kompliceret, hvis forskerne får deres vilje. Udover forskellen i hvordan de forskellige muskelfibre udtrykker proteiner, så bliver aktiviteten af proteiner også reguleret af cellen på forskelligvis, bl.a. ved påsætning af små fosfatgrupper.

”Vores næste mål er at optimere analyserne, så de også omfatter de her post-translationelle ændringer som fosforylering, så vi ikke bare får et billede af, hvilke proteiner der udtrykkes i musklerne, men også hvor aktive de er,” siger Atul Deshmukh.

Små ændringer kan have en stor indflydelse

Selv om den nye viden endnu ikke er fuldstændig, så falder den på et særdeles tørt sted. Især menneskets skeletmuskulatur er nemlig vigtig for at forstå de sundhedsfremmende virkninger af fysisk aktivitet, og i dag er de underliggende mekanismer langtfra ordentlig belyst.

”Vi kan se, at træning ændrer musklernes fysiologiske opførsel, og med den nye metode begynder vi at forstå, hvilke molekylære ændringer der ligger bag. Det kan vise sig at blive den brik, vi mangler for at forstå, hvordan de molekylære ændringer forbedrer vores metaboliske sundhed,” fortæller medforfatter postdoc Dorte Steenberg fra Sektion for Molekylær Fysiologi, Institut for Idræt og Ernæring, Københavns Universitet.

De fleste mennesker har en nogenlunde ligelig fordeling af de to fibertyper i deres muskler, men forholdet kan variere meget mellem mennesker. Det betyder også, at forskellige former for fysisk aktivitet kan være til større fordel for nogle mennesker i forhold til andre.

”Mens en gåtur kan være det rigtige for den ene, kan det være højintens træning, der er det rigtige for en anden med en anden muskelfiberfordeling. For type 2-diabetikere ved vi, at træning er ekstra vigtig, da den øger insulinfølsomheden, og her spiller muskelfibrene en meget stor rolle," forklarer Dorte Steenberg.

Afklaring af sygdom

Med den nye teknik kan forskerne se, om de problemer, som findes i musklerne hos diabetikere, hidrører fra den ene eller begge fibertyper, og hvorvidt en given træningsform kunne være mere fordelagtig end en anden.

Måler man i vægt, er menneskets skeletmuskulatur det største organ i kroppen, og selv små ændringer kan have en stor indflydelse på hele kroppens stofskifte. Skeletmuskulaturen er derfor interessant i et farmakologisk perspektiv, da det har stort potentiale i forhold til behandling af metaboliske sygdomme.

En udfordring er dog at undgå for eksempel bivirkninger i hjertemusklen, som består af specialiserede fibre, der minder om de langsomme type 1-skeletmuskelfibre.

”Hvis vi kan finde proteiner, der udtrykkes specifikt i de hurtige type 2-musklefibre, kan sådanne proteiner i teorien hjælpe til at guide lægemidler ind i netop disse fibre – og dermed måske undgå bivirkninger i hjertemuskulaturen. Der findes også muskelsygdomme, som primært rammer den ene fibertype, f.eks. i Duchennes muskeldystrofi, der primært rammer de hurtige type 2-fibre. Vores metodik vil kunne bruges til yderlige afklaring af denne sygdom og måske give grobund for en målrette terapi mod netop disse muskelfibre,” slutter Jørgen Wojtaszewski.

Our research focus on the mechanism(s) by which physical activity promotes metabolic health. Our studies have focused on the role of the energy sensor...

Our goal is to investigate protein dynamics and how they relate to metabolism. By using Mass-Spectrometry-based proteomics, we provide detailed unders...

The purpose of the section’s research is to obtain in-depth knowledge about metabolic regulation in relation to physical activity, nutrition and healt...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020