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I meccanismi della multiomica

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dietro la promozione della salute generale e la prevenzione delle malattie attraverso l'esercizio fisico regolare

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Premessa

Nel maggio di quest'anno, il Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) ha pubblicato un importante studio che esplora i meccanismi multi-omici alla base della promozione della salute generale e della prevenzione delle malattie attraverso l'esercizio fisico regolare. In questo studio, i ricercatori hanno condotto un regime di allenamento di resistenza di otto settimane in un modello murino e hanno identificato migliaia di cambiamenti molecolari condivisi e specifici per ogni tessuto nel sangue intero e nel plasma. La ricerca ha anche scoperto differenze di genere in vari tessuti. Attraverso l'analisi multi-omica time-course e multi-tessuto, lo studio ha rivelato ampie conoscenze biologiche sulle risposte adattative all'allenamento di resistenza, compresa un'ampia regolazione delle vie immunitarie, metaboliche, di risposta allo stress e mitocondriali. Molti di questi cambiamenti sono strettamente legati alla salute umana, tra cui la malattia del fegato grasso non alcolica, la malattia infiammatoria intestinale, la salute cardiovascolare, nonché il danno e il recupero dei tessuti. I dati e le analisi forniti in questo studio costituiranno una risorsa preziosa per comprendere ed esplorare gli effetti molecolari multitessuto dell'allenamento di resistenza.

Le dinamiche temporali della risposta multi-omica all'allenamento di resistenza si riferiscono ai cambiamenti delle varie biomolecole e delle loro funzioni nel tempo sotto l'influenza di un'attività fisica sostenuta e regolare volta a migliorare la resistenza cardiovascolare, respiratoria e muscolare. Questo campo di ricerca è altamente interdisciplinare e coinvolge la genomica (espressione genica), la trascrittomica (livelli di RNA), la proteomica (livelli di proteine), la metabolomica (livelli di metaboliti) e altri campi omici, che insieme forniscono una visione completa dell'adattamento fisiologico a livello molecolare.

1. Genomica e trascrittomica:

Sotto l'influenza dell'allenamento di resistenza, i profili di espressione genica cambiano, con alcuni geni che vengono upregolati (aumento dell'espressione) mentre altri vengono downregolati (diminuzione dell'espressione). Questi cambiamenti possono influenzare le vie legate al metabolismo energetico, all'infiammazione, alla riparazione muscolare e alla crescita.

I tempi e la durata di questi cambiamenti possono variare. Alcuni effetti sono immediati, mentre altri si sviluppano a lungo termine, man mano che l'organismo si adatta gradualmente allo stimolo dell'allenamento.

2. Proteomica:

I cambiamenti nel contenuto proteico dei muscoli e di altri tessuti possono riflettere adattamenti a breve e a lungo termine. Ad esempio, nei soggetti allenati si osserva comunemente un aumento degli enzimi legati al metabolismo aerobico, come la citrato sintasi o la citocromo c ossidasi.

Anche le proteine legate alle risposte allo stress, alla difesa antiossidante e alla contrazione muscolare possono subire cambiamenti significativi con l'allenamento di resistenza.

3. Metabolomica:

L'esercizio di resistenza porta a cambiamenti nelle vie metaboliche, influenzando le concentrazioni di vari metaboliti. Ciò include alterazioni nel metabolismo degli aminoacidi, dei carboidrati e dei lipidi, che riflettono l'adattamento dell'organismo a una maggiore richiesta di energia e a un utilizzo più efficiente del carburante.

Con l'allenamento, la flessibilità metabolica (la capacità di passare da una fonte di carburante all'altra, ad esempio dai carboidrati ai grassi) è spesso migliorata.

4. Epigenetica:

Le modifiche epigenetiche, come la metilazione del DNA e le modifiche degli istoni, possono essere influenzate dall'allenamento di resistenza. Questi cambiamenti possono alterare l'espressione genica senza modificare la sequenza del DNA sottostante, portando potenzialmente ad adattamenti di lunga durata.

5. Microbioma:

C'è un crescente interesse per il modo in cui l'esercizio di resistenza influisce e contribuisce ai benefici del microbioma intestinale. I cambiamenti nella composizione e nella funzione del microbiota intestinale sono stati collegati a miglioramenti della salute e delle prestazioni metaboliche.

6. Dinamiche temporali delle risposte multiemiche all'allenamento di resistenza:

Risposta acuta: subito dopo l'esercizio, si verifica un aumento transitorio dei marcatori di danno muscolare, infiammazione e stress ossidativo, oltre a cambiamenti nell'utilizzo dei substrati.

Adattamento a breve termine: nel giro di pochi giorni o settimane, con il proseguire dell'allenamento, l'organismo inizia ad adattarsi. Questo comprende un aumento della biogenesi mitocondriale, un miglioramento della sensibilità all'insulina e una regolazione dell'espressione genica legata al metabolismo energetico.

Adattamento a lungo termine: dopo mesi o anni di allenamento prolungato, si verificano cambiamenti profondi, tra cui modifiche strutturali e funzionali nel cuore e nel muscolo scheletrico, nonché miglioramenti nella salute metabolica generale.

Sintesi

La comprensione di queste dinamiche temporali è fondamentale per ottimizzare i regimi di allenamento, prevenire il sovrallenamento e sviluppare approcci personalizzati per migliorare le prestazioni atletiche e la salute. La ricerca in questo campo comprende spesso studi longitudinali, che analizzano i profili multiomici dei partecipanti in punti definiti prima, durante e dopo i periodi di allenamento per identificare i punti chiave e i modelli di adattamento.

Metodi sperimentali:

1. Adattamento animale:

Nell'esperimento, ratti maschi e femmine Fischer 344 sono stati sottoposti ad almeno quattro settimane di adattamento ambientale prima di iniziare l'allenamento di resistenza per ridurre lo stress. I ratti sono stati adattati a un ciclo luce/buio inverso, con luci spente alle 9:00 del mattino e accese alle 9:00 di sera, in modo che l'allenamento al tapis roulant avvenisse durante la normale fase attiva dei ratti. I ratti sono stati alloggiati due per gabbia in rastrelliere ventilate con lettiere di pino bianco sminuzzato.

2. Dieta e condizioni ambientali:

Gli animali erano liberi di mangiare con la seguente composizione calorica: 21,196% di proteine, 14,774% di grassi (estratto di etere) e 64,030% di carboidrati. La stanza degli animali è stata monitorata quotidianamente, con temperature mantenute tra i 20 e i 25 gradi centigradi e umidità relativa tra il 25 e il 55%. Durante il ciclo di buio dei ratti sono state utilizzate luci rosse per fornire un'illuminazione sufficiente per la cura, la manipolazione e l'addestramento di routine degli animali.

3. Esercizio su tapis roulant:

L'esercizio al tapis roulant è stato condotto su un tapis roulant per ratti a cinque canali. Tutte le manipolazioni degli animali e l'esercizio si sono svolti durante la fase attiva di buio dei ratti. Dopo l'arrivo, i ratti sono stati acclimatati al ciclo inverso luce/buio per almeno 10 giorni. Dopo un periodo iniziale di adattamento, i ratti sono stati sottoposti a un protocollo di familiarizzazione con il tapis roulant della durata di 12 giorni per abituarsi al tapis roulant e identificare i ratti non collaborativi. I ratti che non riuscivano a correre ininterrottamente per 5 minuti a 10 m/min con un'inclinazione di 0° sono stati classificati come non cooperativi e rimossi dallo studio. I ratti che hanno completato con successo il periodo di familiarizzazione di 12 giorni sono stati inseriti in un database di ratti e assegnati in modo casuale ai gruppi di controllo o di addestramento per garantire un peso medio uguale tra i gruppi.

4. Assegnazione casuale dei ratti per età e sesso

I ratti a 8 settimane di età sono stati assegnati casualmente al gruppo di controllo o di addestramento in base al sesso e ai quartili di peso corporeo. I ratti a 4 settimane di età sono stati assegnati direttamente al gruppo di controllo senza randomizzazione. I ratti di 1 e 2 settimane di età sono stati assegnati in modo casuale al gruppo di addestramento di 1 o 2 settimane in base al sesso e ai quartili di peso corporeo.

5. Protocollo di addestramento:

L'allenamento di resistenza è iniziato a 6 mesi di età per i ratti maschi e femmine ed è durato 1, 2, 4 o 8 settimane. A questa età, la massa muscolare magra del ceppo si era stabilizzata. I ratti si sono allenati su un tapis roulant 5 giorni alla settimana, seguendo un protocollo di allenamento progressivo che mirava a raggiungere circa il 70% dell'assorbimento massimo di ossigeno (VO2max) dei ratti. La velocità iniziale del tapis roulant era basata sulle misurazioni del VO2max effettuate dopo la fase di familiarizzazione e prima dell'allenamento. L'allenamento si è svolto durante la fase di buio dei ratti, per 5 giorni consecutivi ogni settimana, iniziando non prima delle 10:00 del mattino e terminando non oltre le 17:00 del pomeriggio.

6. Intensificazione dell'allenamento:

Il protocollo di allenamento è iniziato con una pendenza di 5°, 13 m/min per i maschi, 16 m/min per le femmine e una durata di 20 minuti. Come illustrato nella Tabella 1, la durata dell'esercizio è aumentata di un minuto ogni giorno fino al giorno 31 (settimana 7), quando la durata ha raggiunto i 50 minuti. L'inclinazione del tapis roulant è iniziata a 5°, è aumentata a 10° alla terza settimana ed è rimasta a 10° per il resto del periodo di allenamento. La velocità del tapis roulant è aumentata all'inizio delle settimane 2, 4, 5, 6 e 7. A partire dalla settimana 7, la velocità, l'inclinazione e la durata sono state fissate e mantenute per gli ultimi 10 giorni per garantire un allenamento allo stato stazionario. Se un ratto non riusciva a completare almeno 4 giorni di allenamento a settimana, veniva rimosso dallo studio ed eutanasia.

7. Gruppo di controllo:

I ratti del gruppo di controllo sono stati messi su un tapis roulant stazionario (0 m/min) per 15 minuti al giorno, 5 giorni alla settimana, seguendo un programma simile a quello del gruppo di allenamento di 8 settimane. Gli animali di controllo sono stati abbinati per età al gruppo di allenamento di 8 settimane. È importante notare che i ratti di età compresa tra i 6 e i 9 mesi avevano raggiunto la maturità e mostravano differenze fisiologiche minime prima dell'età di 12 mesi.

Analisi della composizione corporea

La composizione corporea è stata misurata per tutti i ratti 13 giorni prima dell'inizio del periodo di allenamento utilizzando un analizzatore di composizione corporea. Questo dispositivo è stato utilizzato per misurare il tessuto magro, il grasso corporeo e il fluido corporeo in animali svegli e vivi. Per i ratti dei gruppi di allenamento di 4 e 8 settimane, la composizione corporea è stata rimisurata 5 giorni prima del prelievo dei tessuti.

Analisi del VO2max

Il VO2max è stato valutato per tutti i ratti prima dell'allenamento e per i gruppi di allenamento di 4 e 8 settimane al termine dei rispettivi periodi di allenamento. I ratti sono stati adattati al tapis roulant per due giorni prima di eseguire il test su un tapis roulant chiuso a corsia singola. Il giorno del test, i ratti sono stati messi sul tapis roulant e, una volta stabilizzato il loro consumo di ossigeno, è iniziato il test. Il test è iniziato con un riscaldamento di 15 minuti a 9 m/min e una pendenza di 0°. Dopo il riscaldamento, l'inclinazione è stata portata a 10° e la velocità del tapis roulant è aumentata di 1,8 m/min ogni 2 minuti.

Lo shock è stato utilizzato solo se necessario e solo se il ratto ha smesso di correre e si è seduto nell'area dello shock. Il test terminava se il ratto si sedeva nell'area di shock per tre volte consecutive e non rispondeva all'aumento dello shock. Dopo il test, i ratti sono stati rimossi dal tapis roulant e sono stati sottoposti a un prelievo di sangue dalla coda per misurare il lattato.

I criteri per il raggiungimento del VO2max includevano: nonostante l'aumento del carico di lavoro, assorbimento di ossigeno in plateau, rapporto di scambio respiratorio superiore a 1,05 e livelli di lattato nel sangue ≥6 mM.

Tapis roulant metabolico per animali Tow-Int Tech

Il Tow-Int Tech Animal Metabolic Treadmill è stato appositamente progettato per la misurazione del metabolismo respiratorio degli animali. Il tapis roulant metabolico ha un design chiuso e può monitorare il consumo di ossigeno, il VO2max, la produzione di CO2 e il tasso metabolico respiratorio durante l'esercizio degli animali. Questo tapis roulant è un dispositivo sperimentale essenziale per gli studi sulla resistenza fisica degli animali, sulle lesioni indotte dall'esercizio, sulla nutrizione da esercizio, sui prodotti farmaceutici e sulle risposte fisiologiche e patologiche all'esercizio.

Attualmente, Tow-Int Tech sta conducendo un programma di sperimentazione per il tapis roulant metabolico per animali. Per maggiori dettagli, contattateci ai seguenti recapiti.