Abstract des Autors

Einleitung: Der Übergang in die Menopause führt für Frauen häufig zu einer gestörten Homöostase in der Skelettmuskulatur und dem Energiehaushalt. Folglich haben ältere Frauen ein höheres Risiko an Sarkopenie, Osteoporose und dem metabolischen Syndrom zugehörigen Krankheiten, wie zum Beispiel Adipositas und Diabetes mellitus Typ 2, zu erkranken. Der Verlust der Skelettmuskelmasse steht im Zusammenhang mit einem Rückgang der Muskelkraft, aber auch mit der Entwicklung des metabolischen Syndroms. Isoflavone (ISO) und körperliche Aktivität zeigten einige positive Auswirkungen in dem sie zur Linderung dieser Effekt führten. Die Hauptziele dieser Studie waren daher die Untersuchung der Effekte und des zugrungeliegenden Mechanismus der ISO, des Trainings und der kombinierten Intervention auf die durch einen Östrogenrückgang ausgelösten Veränderungen der anabolen Muskeladaption und des Fettsäurestoffwechsels. Dafür wurden verschiedene in-vitro und in-vivo Experimente durchgeführt.
Methoden: Im Tierversuch wurden weibliche Wistar-Ratten in sechs Gruppen eingeteilt: (1) scheinoperierte Ratten (Sham); (2) scheinoperierte Ratten mit Training (Sham + T); (3) ovariektomierte (OVX) Ratten; (4) OVX + T; (5) OVX mit einer ISO-angereicherten Diät (OVX + ISO); (6) OVX + ISO + T. Ratten mit Training wurden für 10 min, zweimal täglich auf einem Laufband mit einer Neigung von 25° und einer allmählich zunehmender Geschwindigkeit von 12 bis 20 m/min für 61 Tage trainiert. Alle vier Tage bekamen die Ratten einen Ruhetag. Zusätzlich wurden zwei verschiedene Tierfutter, eine ISO-armes Futter (4 mg ISO-Aglycon-Äquivalent/ kg Futter) und eine ISO-angereichertes Futter (479 mg ISO-Aglycon-Äquivalent/ kg Futter) verwendet. Die Größen der Querschnittsflächen (CSAs) des Soleus-Muskels, des Gastrocnemius-Muskels sowie des Fettgewebes wurden mit Hlfe histochemischer Methoden analysiert. Die Bestimmung der Serumleptin- und IGF-1-Spiegel wurden mittels ELISA-Kits und die Serumlipide durch Kolorimetrie bestimmt. Zusätzlich wurden der trabekuläre Knochenmineralgehalt (Tb.BMC) und die trabekuläre Knochenmineraldichte (Tb.BMD) durch periphere quantitative Computertomographie (pQCT) gemessen. Darüber hinaus wurde die mit der anabolen Anpassung der Skelettmuskulatur oder die mit dem Fettsäuremetabolismus im Zusammenhang stehende Gen- und Proteinexpression mittels Real-Time PCR und Western Blot untersucht. Im Zellkulturversuch wurden C2C12-Myoblastomzellen vermehrt und zu Myotuben differenziert. Danach erfolgte die Behandlung der Myotuben mit Sojaextrakt (Soy), Genistein (Gen), Daidzein (Dai), Glycitein (Gly) oder einer Mischung aus Gen-Dai-Gly (Mix). Anzahl und Durchmesser der Myotuben wurden unter einem Mikroskop bestimmt. Zusätzlich erfolgte die Anaylse der mRNA- und Proteinexpression, der Gene die mit der muskelanabolen Aktivität in Zusammenhang standen.
Ergebnisse: Im Tierversuch führte die OVX bei Ratten zu einer Abnahme des relativen Gewichts des Gastrocnemius-Muskels und des Knochens. Das Körpergewicht, die Fettmasse, sowie die Leptin- und Lipidspiegel erhöhten sich durch die OVX. Das Training wirkte diesem Effekt entgegen, indem es die viszerale Fettmasse, die Adipozytengröße und den Leptinspiegel verringerte. Die Wirkung der ISO zeigte sich nur in der Verringerung des Serum-Leptins. Die Kombination aus Training und ISO führte zu additiven Effekten, welche sich in einem Anstieg des relativen Muskelgewichtes des Gastrocnemius und einer Abnahme des Serumtriglyceridspiegels zeigten. In dem Teil der Studie zur Muskeladaption wurde durch Training die Expression des Insulin-like growth factor (IGF) -1R, des MyoD und des Myogenins im Soleus-Muskel nur durch Training in den Sham-Gruppen hochreguliert. Jedoch konnte eine Stimulation der IGF-1R- und MyoD-Expression beobachtet werden, wenn ISOs und Training kombiniert wurden. Im Gastrocnemius-Muskel wurden die MyoD- und Myogenin-Expression entweder durch Training oder ISOs stimuliert. Bei der Kombination der beiden Interventionen konnten additive Effekte festgestellt werden. In dem Teil dieser Studie, der den Lipidstoffwechsel betrifft, stimulierte das Training die Expression von Genen, die im Fettgewebe, dem Soleus-Muskel und der Leber mit der Fettsäuresynthese (SREBP-1c und FAS) assoziiert sind, sowie, sowie Genen, die im Fettgewebe im Zusammenhang mit Fettsäureoxidation stehen (PPARδ & PGC-1α). ISOs stimulierten die Expression von SREBP-1c und FAS im Soleus-Muskel und PGC-1α im Fettgewebe, während die hepatische SREBP-1c- und FAS-Expression unterdrückt wurde. Bei der PPARδ- und PGC-1α-Expression im Soleus-Muskel wurden starke additive Effekte der ISOs in Kombination mit dem Training beobachtet. Im C2C12-Zellkulturexperiment führte die Behandlung mit Soja, Gen und Mix zu einer signifikanten Zunahme des Myotubendurchmessers und einer Zunahme der Anzahl der Myotuben pro Fläche im Vergleich zur Kontrollgruppe. Der erhöhte Durchmesser der mit Soja behandelten Myotuben wurde durch das Antiöstrogen ZK 191703 (ZK) antagonisiert, aber nicht durch das Antiandrogen Flutamid (Flut). Darüber hinaus wurden die Genexpression von IGF-1, IGF-1R, sowie die Proteinexpression der schweren Myosinkette (MHC) durch Soy, Gen, Mix signifikant erhöht. Die durch Gen und Mix induzierten Effekte waren vergleichbar mit Soja.
Schlussfolgerung: Das Training in Kombination mit ISOs könnte eine effektive Strategie sein, um das Muskelwachstum zu fördern und das Risiko eines metabolischen Syndroms wie Adipositas bei postmenopausalen Frauen zu reduzieren. Die Kombination von ISOs und Training führt zu einer effizienteren Steigerung der Erhöhung der relativen Skelettmuskelmasse und der Expression von molekularen Markern im Zusammenhang mit der anabolen Anpassung in der Skelettmuskulatur der weiblichen Ratten. Gen könnte die wirksamste Verbindung im Sojaextrakt sein, die eine anabolische Aktivität auf das Skelettmuskelwachstum ausübt. Darüber hinaus scheint das Training einen höheren Einfluss auf die viszerale Fettprävention zu haben als die ISO-Aufnahme. Dennoch konnten die stärksten Effekte für einige der angesprochenen Parameter im Zusammenhang mit dem Fettsäurestoffwechsel in der kombinierten Gruppe von ISOs und Training insbesondere im Soleus-Muskel beobachtet werden.

Abstract des Autors

Introduction: Menopause transition often leads to an imbalance homeostasis of skeletal muscle and energy in females. Consequently, elderly women are at higher risks in developing sarcropenia, osteoporosis and metabolic syndrome related diseases such as obesity and type 2 diabetes. The loss of skeletal muscle mass is associated with a loss of strength but also with the development of metabolic syndrome. Isoflavones (ISOs) and physical activity have shown some beneficial impacts on alleviating the changes that happen in postmenopausal women. Therefore, the major objectives of this study were to examine effects and underlying mechanisms of ISOs, training and the combined intervention on modulating muscle anabolic adaptation and fatty acid metabolism which are interfered by estrogen decline in females through both in vivo and in vitro experiments.
Methods: In the animal experiment, female Wistar rats were assigned to six groups: (1) ovary intact (Sham); (2) Sham-operated rats with exercise (Sham+T); (3) ovariectomized (OVX) rats; (4) OVX+T; (5) OVX with an ISO enriched diet (OVX+ISO); (6) OVX+ISO+T. Rats with training were trained 10 min/time, twice/day, a rest day every four days on a treadmill with an incline of 25° for 61 days and a gradually increasing velocity from 12 to 20 m/min. In addition, two different diets, an ISO depleted diet (4 mg ISO aglycone equivalent/kg diet) and an ISO enriched diet (479 mg ISO aglycone equivalent/kg diet), were used to feed the rats. Sizes of cross-sectional areas (CSAs) of soleus muscle, gastrocnemius muscle as well as adipose tissue were determined by histochemical methods. Serum leptin and IGF-1 levels were measured by ELISA kits and serum lipids were analyzed by colorimetry. In addition, trabecular bone mineral content (Tb.BMC) and trabecular bone mineral density (Tb.BMD) were measured by peripheral quantitative computed tomography (pQCT). Moreover, gene and protein expression related to skeletal muscle anabolic adaptation or fatty acid metabolism was investigated by real-time PCR and western blot. In the cell culture experiment, C2C12 myoblastoma cells were proliferated and differentiated into myotubes. Afterwards, a soy extract (Soy), genistein (Gen), daidzein (Dai), glycitein (Gly), and a mixture of Gen-Dai-Gly (Mix) were used to treat the myotubes. The number and diameters of myotubes were measured under a microscope. In addition, the mRNA and protein expressions related to muscle anabolic activity were analyzed.
Results: In the animal experiment, OVX in rats resulted in decreases of relative gastrocnemius muscle weight and bone mass. Meanwhile, body weight, fat mass, leptin and lipid levels were increased by OVX. The training effectively antagonized the effects by decreasing visceral fat mass, adipocyte size and leptin. However, ISOs only showed effects on reducing serum leptin. The combination of training and ISOs showed additive effects, reflecting in an increase of relative gastrocnemius muscle weight and a decrease of serum triglyceride level. In the part of this study regarding muscle adaptation, in soleus muscle insulin-like growth factor (IGF)-1R, MyoD and Myogenin expressions were only up-regulated by training in Sham groups. However, a stimulation of IGF-1R and MyoD expression could be observed when ISOs and training were combined. In gastrocnemius muscle MyoD and Myogenin expressions were stimulated by either training or ISOs. Additive effects were detected when combining the two interventions. In the part of this study in regard to lipid metabolism, training stimulated the expressions of genes associated with fatty acid synthesis (SREBP-1c and FAS) in adipose tissue, soleus muscle, liver and genes associated with fatty acid oxidation (PPARδ and PGC-1α) in adipose tissue. ISOs stimulated the expression of SREBP-1c and FAS in soleus muscle and PGC-1α in adipose tissue, whereas suppressed hepatic SREBP-1c and FAS expression. Strong additive effects of ISOs combined with training were observed for PPARδ and PGC-1α expressions in soleus muscle. In the C2C12 cell culture experiment, treatment with Soy, Gen and Mix led to a significant increase of myotube diameter and an increase of the number of myotubes per area compared to control group. The increased diameter by Soy was antagonized by antiestrogen ZK 191703 (ZK), whereas not by antiandrogen flutamide (Flut). Furthermore, gene expressions of IGF-1, IGF-1R as well as protein expression of myosin heavy chain
(MHC) were significantly increased by Soy, Gen, Mix. The effects induced by Gen and Mix were comparable to Soy.
Conclusion: The training combined with ISOs could be an effective strategy to promote muscle growth and reduce a risk of developing metabolic syndrome such as obesity for postmenopausal women. The combination of ISOs and exercise is more efficient in
increasing relative skeletal muscle mass and the expression of molecular markers related to anabolic adaptation in the skeletal muscle of female rats. Gen might be the most efficient compound in the soy extract exerting anabolic activity on skeletal muscle growth.
Furthermore, the training seems to have a higher impact on visceral fat prevention than dietary ISO intake. Nevertheless, the strongest effects for several of the addressed parameters related to fatty acid metabolism could be observed in the combined group of
ISOs and exercise especially in the soleus muscle.