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肌肉減少癥的蛋白質補充

本期負責人:許紅霞  陸軍特色醫(yī)學中心(重慶大坪醫(yī)院)

文章出處:腫瘤代謝與營養(yǎng)電子雜志2014年12月第1卷第3期

作者:劉潔 許紅霞  陸軍特色醫(yī)學中心(重慶大坪醫(yī)院)

多種生理及病理狀態(tài)如衰老、長期臥床、慢性心衰、慢性腎病、慢性阻塞性肺病、獲得性免疫缺陷綜合癥、惡性腫瘤等均存在骨骼肌丟失,主要表現(xiàn)為骨骼肌體積減少,肌力下降,以及生活質量下降[1],稱為肌肉減少癥(sarcopenia)。補充足夠的能量、蛋白質以及積極開展鍛煉是預防及管理肌肉減少的主要措施,本文討論肌肉減少癥的蛋白質補充。

1 肌肉減少癥時蛋白質合成及降解的信號通路

人體體重約40%由骨骼肌構成,全身蛋白質50%~75%存在于骨骼肌中,每天全身有1%~2%的肌蛋白更新(包含蛋白質的合成和降解)。當?shù)鞍踪|合成超過蛋白質分解時(如攝入營養(yǎng)素后),表現(xiàn)為正向的蛋白質平衡,而負向的平衡出現(xiàn)在蛋白質分解超過蛋白質合成時(如禁食情況下)。研究發(fā)現(xiàn):盡管肌肉蛋白質的更新慢于其他蛋白如血漿蛋白和消化道蛋白,但仍然可以在促進肌肉蛋白質合成干預措施后的數(shù)小時內檢測到肌肉蛋白質的更新。

1.1肌肉蛋白質合成的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)通路

骨骼肌蛋白更新的過程非常復雜,主要涉及基因轉錄(包括轉錄前后的修飾過程)、蛋白翻譯、蛋白降解過程,mTOR是調節(jié)肌肉蛋白質合成的主要信號通路氣

mTOR分子量為289kDa,主要形成2個蛋白質復合體:mTORClmTORC2。mTORCl2個蛋白質:GβL (G protein β-subunit-like protein)raptor (regulatory associatedprotein of mTOR)組成,而mTORC2GβL,mSin,rictor (rapamycin-insensitive companion of mTOR)構成。肌肉收縮、胰島素、必需氨基酸或能量等刺激因素促進蛋白質合成主要是通過mTORCl信號通路[2]。營養(yǎng)素除了作為蛋白合成的底物外,葡萄糖、氨基酸(尤其是亮氨酸)本身也可刺激mTORCl信號通路,促進肌肉蛋白質的翻譯,從而促進肌肉蛋白質的合成。刺激mTORCl通路的3條途徑為:①葡萄糖通過胰島素通路刺激AMPK激活;②氨基酸(包括亮氨酸)通過hVps34, RagGTPases激活mTORCl;③生長因子通過AktTSC1/2復合體激活mTORClo營養(yǎng)素可直接或間接影響上述3種因素,激活mTORCl通路,從而促進肌肉蛋白質合成。

mTORC1的效應器主要有S6K1 (p70 ribosomal S6 kinase 1)4E-BP1 (eukaryotic initiation factor 4E binding protein)S6K1mTORC1/蛋白合成的正向調節(jié)因子,而4E-BP1mTORCl/蛋白合成的負向調節(jié)因子。S6K1通過促進翻譯復合體的形成,進而促進蛋白質翻譯,刺激蛋白質合成。mTOR?路可能與長期的肌肉組織體積增加有關,雷帕霉素可削弱負荷引起的小鼠心肌肥大團。研究發(fā)現(xiàn),阻抗訓練可引起大鼠骨骼肌細胞mTOR通路的迅速激活,包括mTOR效應器S6K1的迅速磷酸化[4]。人體阻力訓練后,肌肉組織的增加也與S6K1的磷酸化有關[5]。DreyerHC[6]發(fā)現(xiàn),阻力訓練可以通過增加AMPK活性及降低4E-BP1磷酸化,從而促進骨骼肌蛋白合成。

1.2泛素化降解是肌肉減少癥蛋白質分解的主要機制

多種原因如炎癥反應、氧化應激、線粒體功能受損、能量及營養(yǎng)素攝入不足等均可引起肌肉蛋白質的分解增加。蛋白質的泛素化降解是肌肉減少癥時骨骼肌蛋白質減少的主要機制。細胞內蛋白質大多通過泛素-蛋白酶體途徑(ubiquitin -proteasome pathway, UPP)降解。蛋白酶體是由20S核心顆粒、19S調節(jié)顆粒以及11S調節(jié)顆粒構成的蛋白質復合物,主要通過打斷肽鍵來實現(xiàn)降解細胞不需要的或受到損傷的蛋白質。

禁食等許多因素可能激活UPP,從而促進蛋白質降解。長期臥床、慢性心衰、慢性腎病、慢性阻塞性肺病時均有蛋白酶體活性增加,從而促進機體蛋白質、尤其是肌肉蛋白質的降解。而一些因素如胰島素可能通過降低該蛋白酶體活性而抑制蛋白質降解。另外,氨基酸或蛋白質平衡也可能通過影響蛋白酶體活性而抑制機體蛋白質的降解。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin -proteasome system, UPS)是腫瘤惡液質蛋白質降解的主要系統(tǒng)⑵,且蛋白質降解發(fā)生在肌肉組織丟失前禺氣Ventrucci G[10]發(fā)現(xiàn),亮氨酸抑制荷瘤小鼠肌肉蛋白酶體20S、19S11S表達,從而抑制蛋白質的泛素化降解,促進肌球蛋白合成,從而有助于削弱腫瘤惡液質時的肌肉減少。

目標蛋白需要被泛素化酶進行泛素化后,才能被蛋白酶體降解。Atrogin-1,MuRF-1是骨骼肌肌肉減少時主要的泛素化酶[11]。轉化生長因子(transforming growth factor, TGF) β等可以通過刺激Atrogin-1, MuRF-1mRNA轉錄,合成更多的Atrogin-1MuRF-1泛素化酶,從而促進蛋白質,尤其是骨骼肌蛋白質的降解[11]。MakiT[12]發(fā)現(xiàn),支鏈氨基酸(branched-chain amino acids, BCAA)使后肢懸掛誘導肌肉萎縮模型(hindlimb suspension-induced muscle atrophy, HSIMA)大鼠泛素化酶Atrogin-1MuRF-1表達下降,從而抑制肌肉蛋白質降解,有助于預防肌肉減少。

2 蛋白質及氨基酸補充對肌肉減少癥的作用

2.1必需氨基酸(essential amino acids, EAA)的補充

肌肉減少癥的發(fā)生與蛋白質攝入不足有關,老年性肌肉減少癥與老年人本身存在蛋白質攝入不足有關。Morley JE[13]報道,年齡>50歲的32%~41%女性以及22%?38%男性每天攝入蛋白質低于推薦量(0.8g/kg)EAA是刺激肌肉蛋白質合成的主要因素[14]。盡管早期研究認為營養(yǎng)素攝入或復合氨基酸攝入后影響30%~100%的蛋白質合成,但后來研究表明,主要是攝入EAA的貢獻。在健康人及胰島素抵抗患者的骨骼肌蛋白合成中,胰島素誘導mTOR/S6Kl信號通路及蛋白質,必須要有氨基酸的攝入。

EAA干預可促進老年肌肉減少癥患者的肌肉合成。SolerteSB[15]研究發(fā)現(xiàn),66?84歲老年人,在18個月中,每天增加8gEAA(8g氨基酸構成:L-亮氨酸2.5g,L-賴氨酸1.3g,L-異亮氨酸1.25g,L-額氨酸1.25g,L-蘇氨酸0.7g,L-半胱氨酸0.3g,L-組氨酸0.3g,L-苯丙氨酸0.2g,L-甲硫氨酸O.lg,L-酪氨酸0.06g,L-色氨酸0.04g),增加了骨骼肌體積,降低了TNF-a水平,增加TIGF-1水平及胰島素敏感性。

EAA聯(lián)合阻抗訓練刺激骨骼肌蛋白合成效果最好,Drummond MJ[2]發(fā)現(xiàn)EAA攝入聯(lián)合阻抗訓練增加肌肉蛋白質合成,該作用是通過刺激mTORCl通路而實現(xiàn)。老年人阻抗訓練及EAA刺激骨骼肌蛋白的合成反應較成人延遲,可能是老年人骨骼肌減少的原因之一[16]

新的研究發(fā)現(xiàn),一天中蛋白質在一日三餐的分布同樣會影響骨骼肌蛋白合成。Mamerow MM[17]7天的實驗周期中,比較了早、中、晚餐蛋白質(g)供應平均分配(分別為31.5±1.3、29.9±1.6、32.7±1.6)與蛋白質主要分配在晚餐(早、中、晚餐蛋白質分別為10.7±0.8、16.0±0.5、63.4±3.7)對24小時內的骨骼肌蛋白質合成的影響,發(fā)現(xiàn)蛋白質平均分配組比蛋白質不均衡組的骨骼肌蛋白質合成更多。

2.2BCAA的補充

氨基酸是蛋白質營養(yǎng)與代謝的基本單位。BCAA包括亮氨酸、異亮氨酸和繳氨酸,它們都是人體所需的EAA,屬于中性氨基酸。BCAA的分解代謝主要在骨骼肌中進行。上世紀80年代BCAA開始用于肝病治療,在化療藥物栓塞的肝癌患者中,長期應用BCAA增加白蛋白水平,并提高生活質量[18]。一直以來,BCAA就被認為具有抗厭食癥和抗惡液質的作用,近年來研究證實BCAA具有刺激食物攝入和對抗厭食及體重下降者的肌肉丟失的作用[19],BCAA促進肌肉合成也是經(jīng)由mTOR[20]。

當機體不活動或制動時,骨骼肌蛋白具有較強的分解代謝反應。Paddon-Jones D[14]研究了臥床28天的13名健康男性志愿者,對照組和實驗組的正常進餐供能比為:50%碳水化合物、29%脂肪、14%蛋白質,實驗組同時給予富含BCAAEAA和碳水化合物,即在正常進餐間隙分別于11:00am、16:00pm、21:00pm給予316.5gEAA30g蔗糖。28天后雙能X線檢測顯示:對照組腿部肌肉重量(kg)減少(-0.4±0.1),實驗組腿部肌肉重量輕度增加(+0.2±0.3);腿部伸展力量(kg)檢測顯示:對照組力量丟失較實驗組更多(對照組-17.8±4.4,實驗組-8.8±1.4);每小時骨骼肌分數(shù)合成速率(fractional synthetic rate, FSR)(%)實驗組高于對照組(實驗組0.093±0.006,對照組0.075±0.005)。提示EAA和碳水化合物干預有助于預防因制動而引起的骨骼肌減少。

HSIMA是常見的小鼠肌肉減少癥模型,可模擬長期臥床導致的肌肉減少。Maki T[12]發(fā)現(xiàn),BCAA使HSIMA模型大鼠泛素化酶Atrogin-1、MuRF-1表達下降,蛋白質泛素化降解受到抑制,從而有助于預防肌肉減少。

2.3富含亮氨酸的EAA補充

氨基酸除了是合成肽鏈的底物外,還有其他許多功能,如調節(jié)蛋白質合成過程中的轉錄和翻譯環(huán)節(jié)。其中,作為BCAA之一的亮氨酸可以調節(jié)mRNA翻譯的啟動,亮氨酸作為蛋白質翻譯的調節(jié)因子,通過4E-BP1S6K1mTOR依賴途徑,調節(jié)蛋白質周轉。亮氨酸由于其刺激肌肉蛋白質合成的能力[21],近年來備受關注。研究表明,可能僅僅是亮氨酸,而不需要其他必需氨基酸在EAA刺激肌肉蛋白質合成過程中,就可以激活mTORCl信號通路,但亮氨酸的這一獨特機制仍需進一步闡明。

亮氨酸是肌肉組織特異的氨基酸,富含亮氨酸的EAA協(xié)同阻抗訓練刺激骨骼肌蛋白合成。Drummond MJ[22]發(fā)現(xiàn),亮氨酸經(jīng)mTOR?路刺激肌肉蛋白質合成可能有助于預防惡液質等患者的肌肉減少,實驗分為4組:阻抗訓練組、阻抗訓練前EAA攝入組、僅僅給予EAA組、阻抗訓練后立即給予EAA組,結果發(fā)現(xiàn)阻抗訓練后立即給予EAA組的肌肉蛋白質合成率最高,依次下來為僅僅EAA組、阻抗訓練前給予EAA組,而僅僅阻抗訓練組的肌肉蛋白質合成率最低。表明阻抗訓練后必需立即給予EAA,以促進肌肉蛋白質合成。

亮氨酸不僅能抑制肌肉蛋白泛素化降解[10],更能促進惡液質小鼠肌肉合成。Peters SJ[23]將實驗分為4組,對照組及腫瘤組小鼠給予的蛋白質含有8.7%的亮氨酸(8.7%Leu/g蛋白),荷瘤小鼠1組(TB1組)給予9.6%Leu/g蛋白,荷瘤小鼠2組(TB2組)給予14.6%Leu/g蛋白。干預21天,分別檢測小鼠脛骨前肌、腓腸肌、趾長伸肌以及比目魚肌的肌肉組織量,結果發(fā)現(xiàn):高亮氨酸組(TB2組)有效削弱了肌肉組織的減少,促進了惡液質小鼠肌肉組織的蛋白質合成。

Katsanos CS[24]觀察了高比例亮氨酸對老年人肌肉蛋白質合成的刺激作用,亮氨酸比例分別為26%41%,發(fā)現(xiàn)41%亮氨酸在老年人中顯著刺激蛋白質合成,相對于年輕人的結果更為顯著。

亮氨酸可以激活信號通路,從而改變球蛋白和特定蛋白質合成的起始速率。Fujita S[25]研究發(fā)現(xiàn),富含亮氨酸的EAA經(jīng)由mTOR信號通路刺激骨骼肌合成。給予富含亮氨酸的EAA后,肌肉組織亮氨酸、苯丙氨酸增加,磷酸化AMPK下降,從而激活mTOR信號通路,使FSR增加,從而刺激骨骼肌合成。

3 乳清蛋白及水解膠原蛋白的作用

增加血漿游離氨基酸的濃度是促進骨骼肌蛋白合成的一個關鍵因素[26],在老年人中,適當?shù)臓I養(yǎng)補充劑如乳清蛋白是增加血漿游離氨基酸濃度的一個有效途徑。EAA和乳清蛋白在老年人中刺激肌肉蛋白質合成的效果可能不同。研究發(fā)現(xiàn),乳清蛋白攝入較單純的EAA或非必需氨基酸( nonessential amino acids, NEAA)更能促進老年人肌肉蛋白合成[27]Katsanos CS[27]15名老年人隨機分3組:乳清蛋白組、EAA組、NEAA組,其中乳清蛋白組給予15g乳清蛋白,EAA組僅給予15g乳清蛋白中所含有的EAA6.72g,NEAA組僅給予15g乳清蛋白中所含有的NEAA7.57g;3.5小時后檢測肌肉苯丙氨酸平衡(反映正氮平衡)及胰島素反應,結果發(fā)現(xiàn)乳清蛋白組高于EAANEAA組,表明僅僅EAANEAA不能更有效的促進正氮平衡,而同時含有EAANEAA的乳清蛋白補充劑有助于維持正氮平衡,可以增加阻力訓練下的肌肉力量。

關于EAA和乳清蛋白到底誰更好,有不同的報道。Paddon-Jones D[28]發(fā)現(xiàn),攝入等能量EAA和乳清蛋白均刺激肌肉蛋白合成,但等能量的EAA更有效。8名和7名老人分別攝入15gEAA和乳清蛋白,檢測3.5小時后的苯丙氨酸攝入及FSR,結果發(fā)現(xiàn),乳清蛋白組的苯丙氨酸攝入及FSR均低于EAA組。

9名老年女性(70±1歲),交叉服用乳清蛋白及水解膠原蛋白各15天,結果顯示,水解膠原蛋白組氮平衡及體重優(yōu)于乳清蛋白組'氣因此,對乳清蛋白及水解膠原蛋白的作用需要進一步進行研究。

4 預防及治療肌肉減少癥的蛋白質指南

2010年,國際老年性肌肉減少、惡液質及消耗性疾病學會( The Society for Sarcopenia, Cachexia and Wasting Disease, SCWD )提出了關于肌肉減少癥的營養(yǎng)推薦[13],其中對于老年性肌肉減少的管理中與蛋白質攝入相關的建議是:老年人的代謝效率下降,需要更高的蛋白質攝入以促進蛋白質合成;在預防老年性肌肉減少癥的綜合措施中,建議保證能量及蛋白質攝入足量及平衡;鑒于15%~38%的老年男性及27%~41%的老年女性攝入的蛋白質未達到推薦劑量,因而建議增加蛋白質攝入;老年人推薦1.0?1.5g/(kg?d)蛋白質攝入;建議老年人膳食中攝入富含亮氨酸的EAA。

5 小結

增加蛋白質攝入是抑制肌肉減少的基礎,高EAA、高BCAA尤其是高亮氨酸攝入可促進肌肉蛋白質合成、抑制蛋白質降解。肌肉減少的蛋白質療法需要結合鍛煉及其他措施共同刺激肌肉合成。目前研究主要集中于動物模型及老年患者,需要加強對腫瘤惡液質等其他疾病相關的肌肉減少癥蛋白質補充的臨床研究。

本期負責人

許紅霞

醫(yī)學博士、教授/博士生導師

陸軍特色醫(yī)學中心(重慶大坪醫(yī)院)臨床營養(yǎng)科主任

美國伯明翰阿拉巴馬大學藥理毒理系博士后

中國抗癌協(xié)會腫瘤營養(yǎng)與支持治療專業(yè)委員會

副主任委員

中國老年醫(yī)學學會營養(yǎng)與食品安全分會副會長

中華醫(yī)學會腸外腸內營養(yǎng)分會委員兼秘書長

中國營養(yǎng)學會臨床營養(yǎng)分會委員

重慶市醫(yī)師協(xié)會營養(yǎng)醫(yī)師分會會長

重慶抗癌協(xié)會腫瘤營養(yǎng)與支持治療專業(yè)委員會

主任委員

重慶市醫(yī)學會腸外腸內營養(yǎng)學專委會副主任委員

作者、翻譯

劉潔

主管營養(yǎng)師 營養(yǎng)學碩士

陸軍特色醫(yī)學中心(重慶大坪醫(yī)院)

臨床營養(yǎng)科主任助理

中國研究型醫(yī)院學會營養(yǎng)醫(yī)學專業(yè)委員會青年委員

中國特殊醫(yī)學用途配方食品應用委員會青年委員

中國中西醫(yī)結合學會營養(yǎng)學專業(yè)委員會青年委員

中國抗癌協(xié)會腫瘤營養(yǎng)專委會代謝調節(jié)治療學組委員

重慶市營養(yǎng)學會理事

重慶市醫(yī)師協(xié)會營養(yǎng)醫(yī)師分會委員

重慶營養(yǎng)學會臨床營養(yǎng)專業(yè)委員會腫瘤學組副組長

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