Fizjologia, biochemia sportu Badania ostatnich kilku lat doprowadziły do identyfikacji cytokin, jako cząsteczek łączących odpowiedź zapalną i immunologiczną z aktywnością metaboliczną mięśni szkieletowych. Zaobserwowano, że część cytokin uwalnianych z komórek podczas wysiłku fizycznego pochodzi z włókien mięśniowych i pełni rolę stymulatorów i regulatorów procesów istotnych w adaptacji do wysiłku fizycznego. Cząsteczki te nazwano miokinami. 95 Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych Cytokiny to duża grupa glikoprotein sygnalizacyjnych, o szerokim zakresie działania. Ich nazwa wywodzi się z greckich słów citos, czyli komórka oraz kinesis ruch. Za odkrycie pierwszych związków należących do tej grupy Rita Levi-Montalcini i Stanley Cohen Z Zakładu Biochemii i Medycyny Sportu, Zamiejscowego Wydziału Kultury Fizycznej w Gorzowie Wlkp., Akademii Wychowania Fizycznego w Poznaniu. Praca przygotowana w ramach grantu N N404 155534. otrzymali w 1986 roku nagrodę Nobla z dziedziny fizjologii i medycyny (www. nobelprize.org). Do tej pory zidentyfikowano ponad sto kilkadziesiąt cytokin pro- i przeciwzapalnych, wśród których przynajmniej kilkanaście jest uwalnianych w odpowiedzi na wysiłek fizyczny (tab.1). Początkowo kojarzono je wyłącznie z układem immunologicznym, stąd określenie hormony układu immunologicznego. Obecnie wiadomo, że cytokiny są wydzielane, Sport Wyczynowy 2008, nr 10-12/526-528
96 Grupa Cytokiny * Funkcje Tabela 1. Podział cytokin oparty na funkcji danej grupy. Interleukiny IL-1β, IL-1ra, Komunikacja komórek immunologicznych wzajemne IL-2, IL-3, IL-4, pobudzanie i hamowanie działania, krwiotworzenie, IL-6, IL-8, IL-10 indukcja białek HSP, wzrost naczyń krwionośnych. Hematopoetyny M-CSF, G-CSF, Różnicowanie komórek szpiku kostnego powstawanie GM-CSF, EPO granulocytów, makrofagów, erytrocytów. Interferony IFNγ Obrona przeciwwirusowa, przechodzenie makrofagów do tkanek i ich pobudzenie. Chemokiny MCP-1 Chemotaksja tworzenie gradientu chemotaktycznego, aktywacja, proliferacja i różnicowanie komórek immunologicznych. Czynniki wzrostu TGFα, TGFβ, Proliferacja i różnicowanie fibroblastów, miocytów, BDNF neuronów, wzrost naczyń krwionośnych. Nadrodzina TNF TNFα, TNFγ Indukcja procesów katabolicznych, apoptoza, chemotaksja, różnorodne efekty związane ze zmianą ekspresji licznych genów. *W tabeli wymieniono cytokiny, których zmiany obserwowano pod wpływem wysiłku fizycznego (8, 9, 34, 37). poza leukocytami, także przez komórki śródbłonka, mięśni, tkanki tłuszczowej, łącznej, nerwowej, naskórka i in. Łącząc się z odpowiednim receptorem oddziałują na te same komórki, które je wydzielają (działanie autokrynowe), na komórki w najbliższym sąsiedztwie (działanie parakrynowe) lub na komórki znajdujące się w innych narządach (działanie endokrynowe) (6). Cytokiny są mediatorami reakcji zapalnych i immunologicznych oraz stymulatorami i regulatorami procesów daleko wykraczających poza funkcje układu immunologicznego, jak krwiotworzenie (erytropoeza), wzrost sieci naczyń krwionośnych (angiogeneza), rozkład glikogenu i lipidów (glikogenoliza, lipoliza). Różnorodność efektów wywieranych przez cytokiny wiąże się z ich wyjątkowymi cechami; plejotropia zdolność określonej cytokiny do oddziaływania na wiele komórek, redundacja wywołanie tego samego efektu przez różne cytokiny, antagonizm wzajemne blokowanie efektów działania, synergizm współdziałanie oraz zdolność do indukowania kaskad sprzężeń zwrotnych dodatnich i ujemnych (6). Cytokiny w biochemii wysiłku fizycznego pojawiły się w trakcie poszukiwań czynników łączących aktywność mięśni z odpowiedzią immunologiczną. Pierwszymi, którzy zaobserwowali wzrost stężenia cytokin w mięśniach szkieletowych, byli Cannon i wsp. (1). Ich badania dotyczyły IL-1β, uwalnianej kilka godzin po zakończeniu 60-minutowego wysiłku o obciążeniu
Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych 97 60% VO 2 max. Kolejne badania prowadzone od lat 90-tych wykazały, że systematyczna aktywność fizyczna istotnie zmniejsza poziom prozapalnych cytokin. Natomiast ilość uwalnianych pro- i przeciwzapalnych cytokin pod wpływem jednorazowego wysiłku zależy od jego intensywności i czasu trwania oraz obszaru aktywnych mięśni (9, 20, 25, 37). Największe zmiany obserwowano w odpowiedzi na wysiłki wytrzymałościowe trwające dłużej niż 2 godziny, tj. maksymalnie 120-krotny wzrost IL-6 i 60-krotny wzrost IL-10, 40-krotny IL- 1ra, 6-krotny IL-8 oraz 3-krotny wzrost poziomu TNFα i IL-1β. Mniejsze zmiany występowały po submaksymalnych wysiłkach koncentrycznych trwających do 2 godzin, tj. 10-krotny IL-8, 5-krotny wzrost IL-6, 50% wzrost TNFα i IL-1ra oraz brak zmian IL-1β. Wysiłki koncentryczne trwające do 30 minut oraz krótkotrwałe wysiłki ekscentryczne indukowały znacznie słabszą odpowiedź cytokinową, maksymalnie 2-krotny wzrost IL-6, 35% wzrost IL-8, 25% spadek IL-10, 17% wzrost IL-1β, brak lub spadek stężenia TNFα (9, 19, 20, 37). Analiza zmian stężenia cytokin u osób aktywnych fizycznie pozwoliła wyjaśnić ich biologiczne właściwości oraz ustalić przyczyny i skutki uwalniania tych cząsteczek pod wpływem wysiłku fizycznego. Zaobserwowano, że jednym z czynników odpowiedzialnych za wzrost wytwarzania cytokin jest kryzys energetyczny, który pojawia się podczas długotrwałych wysiłków. Spadek zasobów glikogenu w mięśniach stymuluje uwalnianie IL-6 i jest sygnałem do uruchomienia zapasów energii glikogenoliza w wątrobie, lipoliza w tkance tłuszczowej (23). Czynnikiem wzmacniającym tę odpowiedź jest uszkodzenie włókien mięśniowych podczas wysiłku, które indukuje uwolnienie prozapalnych cytokin, jak TNFα i IL-1β, pełniących rolę wtórnych cząsteczek sygnalizacyjnych stymulujących wytwarzanie IL-6 i czynników wzrostowych inicjujących proliferację komórek satelitarnych i rekonstrukcję włókien mięśniowych (27, 29). W efekcie dochodzi do zmian metabolicznych przystosowujących zawodnika do wysokich obciążeń fizycznych. Indukcja i rozwój odpowiedzi zapalnej na wysiłek fizyczny Bodźcem do wydzielania cytokin podczas wysiłku fizycznego są skurcze mięśni i towarzyszące im uszkodzenia włókien mięśniowych, które inicjują odpowiedź zapalną (ang. inflammatory response to exercise, IRE), zapoczątkowaną uwalnianiem czynników chemotaktycznych oddziałujących na komórki immunologiczne rozpoczynające szybki proces naprawy (ryc. 1). Neutrofile pojawiają się w miejscu uszkodzenia w ciągu kilku godzin i są obecne do 24 godzin, następnie wkraczają makrofagi obecne do 14 dni od zakończenia wysiłku. Do czynników aktywujących neutrofile należą m.in. cytokiny prozapalne TNFα i IL-1β, będące jednocześnie aktywatorami enzymu oksydazy NADPH, która katalizuje generację reaktywnych form tlenu (ang. reactive oxygen species, ROS). Zwiększona ekspresja TNFα i IL-1β
98 Ryc. 1. Schemat odpowiedzi zapalnej na wysiłek fizyczny (IRE). Czynniki chemotaktyczne TNFα i IL-1β; Cytokiny aktywujące makrofagi IFNγ; Czynniki wzrostu TGFβ, PDGF, IL-6; Reaktywne formy tlenu ROS; Markery uszkodzenia mięśni kinaza keratynowa CK i mioglobina Mb (20, modyfikacja własna).
Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych 99 w mięśniach jest obserwowana nawet do 5 dni po wysiłku (6, 20). Aktywowane neutrofile i makrofagi usuwają fragmenty uszkodzonej tkanki mięśniowej i uwalniają czynniki wzrostowe biorące udział w procesach naprawczych, jak transformujący czynnik wzrostu (ang. transforming growth factor, TGFβ). Komórki satelitarne, które stanowią potencjał regeneracyjny mięśni, uwalniają płytkopochodny czynnik wzrostu (ang. platelet-derived growth factor, PDGF) oraz cytokinę IL-6, które stymulują proliferację (wzrost liczby komórek) i różnicowanie komórek w miejscu gojenia. Czynnik PDGF, podobnie jak TNFα i IL-1β, zwiększa wytwarzanie ROS. Natomiast IL-6 oraz cytokiny przeciwzapalne IL-1ra, IL-4 i IL-10, hamują generację ROS poprzez blokowanie aktywności prozapalnych cytokin TNFα i IL-1β. Przywrócenie równowagi pomiędzy cytokinami pro- i przeciwzapalnymi zapobiega nadmiernej kumulacji ROS oraz gwarantuje pełną odbudowę mięśni szkieletowych (20). W nielicznych badaniach stwierdzono zależność pomiędzy markerami aktywności ROS a poziomem cytokin (35, 41). Pojawienie się ROS w uszkodzonych włóknach mięśniowych sprzyja restrukturyzacji (ang. remodeling) mięśni i adaptacji do wysiłku fizycznego z dwóch powodów. Pierwszy, to współudział ROS w aktywacji czynników transkrypcyjnych m.in. czynnika jądrowego κb (NF-κB) regulującego ekspresję 300 genów, w tym także genów cytokin (32). Według Ji wysiłek fizyczny IL-1ra IL-6 IL-18 IL-10 IL-15 TNFα IL-1β IL-8 BDNF Ryc. 2. MIOKINY: cytokiny uwalniane przez aktywne mięśnie szkieletowe
100 i wsp. (11) aktywacja NF-κB stymulowana skurczami mięśni leży u podstaw adaptacji do wysiłku fizycznego. Drugi powód to indukcja proteasomów organelli komórkowych wyspecjalizowanych w degradacji uszkodzonych cząsteczek białka, m.in. aktyny szczególnie wrażliwej na ROS. Ostatecznie zwiększa to obrót białka i intensyfikuje efekt anaboliczny wysiłku fizycznego (28). Niemniej jednak utrata kontroli nad wytwarzaniem ROS przez mechanizmy antyoksydacyjne może zahamować proliferację i różnicowanie komórek satelitarnych i osłabić przyrost mięśni szkieletowych (39). Rola biologiczna miokin uwalnianych pod wpływem wysiłku fizycznego Termin miokiny (ang. myokines) został zaproponowany przez Pedersen i Febbraio w 2005 roku w stosunku do cytokin wydzielanych przez miocyty, czyli włókna mięśniowe (21). Pierwszą cytokiną, której ekspresję stwierdzono w miocytach, była IL-6 (5). Następnie zaobserwowano, że skurcze mięśni stymulują ekspresję genów kilku innych cytokin pro- i przeciwzapalnych oraz czynników wzrostowych, jak BDNF (ang. brain-derived neurotrophic factor) (ryc. 2) (3, 8, 10, 18, 23, 27, 31). Stwierdzono, że o ilości uwalnianych miokin decyduje rodzaj skurczu. Skurcze koncentryczne stymulują wydzielanie z mięśni IL-6 i IL-8, podczas gdy izometryczne i ekscentryczne zwiększają uwalnianie IL-15. Natomiast ilość TNFα rośnie we krwi tylko podczas ostrych wysiłków o zmiennej intensywności, którym może towarzyszyć uszkodzenie włókien mięśniowych (23, 41). Następnie wykazano, że ekspresja niektórych miokin zależy od typu włókien mięśniowych. Poziom transkryptów dla TNFα, IL-15 i IL-18 jest wyższy we włóknach typu II (szybkokurczliwych), natomiast dla IL-6 we włóknach typu I (wolnokurczliwych) (17, 27). Zmiany stężenia miokin we krwi są największe po pierwszej próbie wysiłkowej, natomiast powtarzanie wysiłku o tym samym obciążeniu zmniejsza odpowiedź cytokinową efekt adaptacji (9). W efekcie tych porównań miokiny zyskały funkcje czynników przydatnych w biochemicznej charakterystyce wykonanej pracy fizycznej lub stopnia zaangażowania danego typu mięśni podczas wysiłku fizycznego. Interleukina 1β (IL-1β) została odkryta w 1948 roku przez Bessona, jako cząsteczka pirogenna, czyli wywołująca gorączkę. Kilkanaście lat później opisano grupę interleukin IL-1 wykazujących podobne właściwości biologiczne, której reprezentacyjną cytokiną jest IL-1β wydzielana przez komórki immunologiczne, glejowe, naskórka, śródbłonka i mięśni szkieletowych (10, 26). Induktorami wytwarzania IL-1β są m.in. interleukiny IL-2, IL-3, IL-12, TNFα oraz sama IL-1 (6). IL-1β jest cytokiną prozapalną i czynnikiem chemotaktycznym przyciągającym i aktywującym neutrofile w miejsce reakcji zapalnej. Indukuje syntezę IL-6, IL-8 przez makrofagi, fibroblasty, komórki śródbłonka i mięśni,
Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych 101 IL-2 i receptora dla IL-2 przez limfocyty T, wytwarzanie przeciwciał przez limfocyty B, proliferację fibroblastów i miocytów poprzez pobudzenie wydzielania czynnika PDGF. IL-1β stymuluje wytwarzanie ROS, prostaglandyn i czynnika aktywującego płytki, zwiększa przepuszczalność śródbłonka, indukuje aktywność prokoagulacyjną itp. Należy dodać, że komórki immunologiczne, a prawdopodobnie także mięśnie, wytwarzają antagonistę receptora dla IL-1 (IL-1ra), który blokuje działanie tej cytokiny i tym samym hamuje reakcję zapalną (6, 7). IL-1β, obok IL-6 oraz TNFα, jest jedną z najszybciej uwalnianych cytokin pod wpływem długotrwałego wysiłku fizycznego (19). Podwyższony poziom IL-1β w mięśniach może utrzymywać się nawet do 5 dni. Według niektórych autorów przedłużająca się obecność IL-1β ma dwojakie znaczenie. IL-1β uczestniczy w rekonstrukcji uszkodzonych włókien mięśniowych poprzez aktywację fagocytów i enzymów proteolitycznych. IL-1β stymuluje także syntezę czynnika wzrostowego BDNF (ang. brain-derived neurotrophic factor) regulującego proliferację, różnicowanie i przeżycie komórek neuronalnych oraz wzmacnia wytwarzanie ROS uczestniczących w ekspresji genów (1, 31). Z drugiej strony zaobserwowano inhibicję transportu glukozy oraz syntezy białka w mięśniach szkieletowych szczurów potraktowanych IL-1β (15). Jednoznaczne wyjaśnienie roli IL-1β w procesach adaptacji do wysiłku fizycznego wymaga dalszych badań. Interleukina 6 (IL-6) po raz pierwszy została opisana przez zespół Muraguchi ego w 1981 roku, jako czynnik 2 aktywujący limfocyty B (ang. B-cell factor 2, BSF2) (26). IL-6 jest wytwarzana przez komórki immunologiczne śródbłonka, tkanki łącznej, tłuszczowej, naskórka i komórki mięśni szkieletowych. Bezpośrednimi czynnikami indukującymi ekspresję genu IL-6 w mięśniach szkieletowych są zmiany zawartości glikogenu, stężenia jonów wapnia i reaktywnych form tlenu (4, 6). Zaobserwowano, że ekspresja genu IL-6 jest bardziej nasilona we włóknach wolnokurczliwych i wprost proporcjonalna do ilości nadtlenku wodoru wytwarzanego podczas przemian tlenowych (13, 27). IL-6 jest wielokierunkowo działającą cytokiną. Aktywuje limfocyty T, reguluje wzrost i różnicowanie limfocytów B, stymuluje uwalnianie z wątroby białek opiekuńczych HSP (ang. heat shock proteins), których ekspresja wzrasta, gdy komórki są narażone na działanie czynników stresowych, np. wysoką temperaturę lub ROS. Należy podkreślić, że białka HSP wykazują działanie przeciwzapalne, a niektóre z nich, jak np. HSP72, łącząc się z powierzchnią błony miocytów, mogą inicjować syntezę IL-6 (6, 22). IL-6 ujawnia także swoje działanie przeciwzapalne poprzez stymulację uwalniania cytokin IL-ra i IL-10. Ponadto synergistycznie z IL-3 i IL-4 pobudza erytropoezę i angiogenezę, co ma ogromny wpływ na poziom wydolności zawodników (4). Niedawno Steinberg i wsp. (35) wykazali pozytywną kore-
102 lację pomiędzy zmianami stężenia IL-6 we krwi a poziomem VO 2 max. IL-6 uczestniczy w gospodarce energetycznej poprzez regulację poziomu glukozy i wolnych kwasów tłuszczowych (WKT) we krwi. Zaobserwowano, że obniżenie zawartości glikogenu w mięśniach szkieletowych podczas wysiłku fizycznego stymuluje wytwarzanie IL-6 w komórkach mięśniowych, a dożylne podanie ludzkiej zrekombinowanej IL-6 intensyfikuje glikogenolizę i uwalnianie glukozy z wątroby. Stwierdzono także, że IL-6 hamuje wątrobowy enzym syntazę i aktywuje fosforylazę glikogenu. Niektórzy autorzy zaobserwowali aktywację błonowych transporterów glukozy przez IL-6 (23). W przypadku gospodarki lipidowej stwierdzono, że IL-6 stymuluje lipolizę w tkance tłuszczowej, zwiększa stężenie triglicerydów i WKT we krwi oraz nasila β-oksydację kwasów tłuszczowych w komórkach mięśniowych (21). W najnowszych badaniach wykazano, że IL-6 uwalniana przez włókna mięśniowe i towarzyszące im komórki satelitarne w sposób parakrynowy i autokrynowy stymuluje podziały komórek satelitarnych, zwiększając masę mięśni szkieletowych. Uszkodzenie genu IL-6 znosi zdolność komórek satelitarnych do podziałów i osłabia przyrost mięśni (33). IL-6 jest uwalniana w największych ilościach w porównaniu do innych cytokin i jako jedyna pojawia się już w trakcie wysiłku. Stężenie IL-6 we krwi może wzrosnąć nawet 120-krotnie u maratończyków i triatlonistów, natomiast wysoka produkcja mleczanów w mięśniach podczas krótkotrwałych intensywnych ćwiczeń hamuje jej wydzielanie przez mięśnie (37). Z naszych badań wynika, że poziom IL-6 we krwi sportowców poddawanych bardzo dużym i długotrwałym obciążeniom wysiłkowym zmienia się wyraźnie w poszczególnych okresach treningowych. We krwi koszykarzy stężenie IL-6 było najwyższe w okresie przygotowawczym, gdzie dominowały wysiłki oparte na metabolizmie tlenowym. W okresie przygotowawczym stwierdziliśmy także wysoką dodatnią korelację pomiędzy markerami aktywności ROS a IL-6, co nie tylko potwierdza udział ROS w uwalnianiu tej cytokiny do krwi, ale również możliwość modulacji poziomu IL-6 i procesów związanych z tą cytokiną za pomocą antyoksydantów (41). Takie próby badawcze podjęło kilku autorów, którzy stosowali N-acetylo-L-cysteinę i witaminy antyoksydacyjne, z różnym skutkiem (2, 24, 38, 40). Interleukina 8 (IL-8) została odkryta w 1987 roku przez zespół Yoshimury. Początkowo znana była pod różnymi nazwami, jak czynnik aktywujący neutrofile (ang. neutrophil activating factor, NAF) czy peptyd chemotaktyczny granulocytów (ang. granulocyte chemotactic peptide, GCP). Ostatecznie w roku 1989 nazwano ją interleukiną 8 (26). IL-8 jest uwalniana z monocytów, komórek śródbłonka i mięśni szkieletowych w odpowiedzi na rosnące stężenie IL-1β, TNFα i reaktywnych form tlenu. IL-8 jest najlepiej znanym czynnikiem chemotaktycznym przyciągającym i ak-
Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych 103 tywującym neutrofile, połączone z wytwarzaniem reaktywnych form tlenu w tych komórkach (6, 23). Podobnie, jak w przypadku IL-6, im dłuższy wysiłek, tym większy przyrost stężenia IL-8 we krwi. Do tej pory zanotowano maksymalnie 10-krotny wzrost IL-8 u zawodników poddanych 2-godzinnemu wysiłkowi o obciążeniu 60-65% VO 2 max (37). W trakcie wysiłku IL-8 jest uwalniana głównie z komórek mięśniowych, a poprzez aktywację komórek fagocytarnych oraz stymulację generacji ROS uczestniczy w rekonstrukcji mięśni szkieletowych (23). Ostatnio zaobserwowano także, że poza ekspresją IL-8 w mięśniach, dochodzi do ekspresji receptorów dla IL-8 w komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych. Połączenie IL-8 z odpowiednim receptorem w śródbłonku indukuje wydzielanie naczyniowego czynnika wzrostu (ang. vascular endothelial growth factor, VEGF), który stymuluje angiogenezę (14). Interleukina 10 (IL-10) po raz pierwszy została opisana w 1989 roku. Początkowo, z uwagi na jej przeciwzapalne właściwości, nazywano ją czynnikiem hamującym syntezę cytokin (ang. cytokine synthesis inhibitory factor, CSIF) (26). IL-10 jest cytokiną typowo przeciwzapalną, uwalnianą przez komórki immunologiczne, naskórka i prawdopodobnie komórki mięśni szkieletowych. Do tej pory nie przeprowadzono badań potwierdzających ekspresję genu IL-10 stymulowaną skurczami włókien mięśniowych. Zaobserwowano jedynie wzrost wydzielania IL-10 z mięśni przepony w odpowiedzi na infekcję bakteryjną (3). Poziom IL-10 we krwi zwiększa się nawet 40-krotnie bezpośrednio po zakończeniu długotrwałego wysiłku. Największe zmiany obserwowano u maratończyków (19, 37). IL-10 minimalizuje skutki reakcji zapalnej na wysiłek fizyczny poprzez hamowanie wytwarzania prozapalnych cytokin TNFα i IL-8 oraz pobudzanie syntezy antagonisty receptora dla IL-1 (IL-1ra) w mięśniach. IL-10 ogranicza także wytwarzanie reaktywnych form tlenu przez neutrofile i makrofagi (6, 19). Interleukina 15 (IL-15) została odkryta w 1994 roku przez zespół Grabsteina (26). IL-15 jest wytwarzana przez wiele komórek, jak makrofagi, komórki dendrytyczne, śródbłonka, mięśni szkieletowych i in. Induktorami są cytokiny IL-1β, TNFα, IL-4, IFNγ. IL-15 jest kluczowym czynnikiem w procesach rozwoju, proliferacji i przeżycia komórek NK (ang. natural killer), silnie działającym czynnikiem chemotaktycznym dla leukocytów oraz inhibitorem apoptozy limfocytów. Poza oddziaływaniem na układ immunologiczny, IL-15 wywiera wpływ anaboliczny na mięśnie szkieletowe, zwiększając ich masę i stymulując angiogenezę (6). Na hodowlach mioblastów wykazano, że IL-15 stymuluje proliferację i różnicowanie komórek mięśniowych niezależnie od poziomu insulinopodobnego czynnika wzrostu (ang. insulinlike growth factor, IGF) oraz zwiększa zawartość łańcuchów ciężkich miozyny (23).
104 Wysiłek fizyczny, bieg maratoński i trening siłowy stymulują ekspresję genu IL-15 w komórkach mięśniowych (23, 30). Nielsen i wsp. (17) zaobserwowali, że ekspresja IL-15 jest bardziej nasilona we włóknach szybkokurczliwych niż wolnokurczliwych, podobnie do IL-18 i TNFα. Aktywność IL-15 ogranicza się wyłącznie do tkanki mięśniowej. W żadnych badaniach nie zaobserwowano statystycznie istotnych zmian stężenia tej cytokiny we krwi (23, 37). Interleukina 18 (IL-18) została po raz pierwszy opisana w 1989 roku przez zespół Nakamury i początkowo zaliczona do grupy IL-1 z powodu wyraźnej aktywności prozapalnej (26). IL-18 jest wydzielana przez makrofagi, komórki nabłonkowe, osteoblasty, adipocyty i komórki mięśniowe. Zaobserwowano, że czynnikami aktywującymi IL-18 są kaspazy enzymy kontrolujące proces apoptozy. Zatem uwalnianie IL-18 może być także sygnałem rozpoczynającej się samobójczej śmierci komórki (6). Ostry wysiłek fizyczny zwiększa stężenie IL- 18, natomiast systematyczna aktywność fizyczna wyraźnie ogranicza jej uwalnianie do krwi, podobnie jak prozapalnej cytokiny TNFα (12, 16, 25). Czynnik martwicy nowotworu (TNFα) został zidentyfikowany w 1975 roku przez zespół Carswella, jako białko zdolne do zabijania komórek nowotworowych (ang. tumour necrosis factor, TNF) (26). TNFα należy do grupy cytokin obejmującej 20 cząsteczek. Jest wytwarzany przez monocyty i makrofagi, a w mniejszych ilościach przez komórki tkanki łącznej, tłuszczowej, naskórka i mięśni szkieletowych (36, 27). TNFα stymuluje powstawanie i różnicowanie limfocytów B, limfocytów T i komórek NK (ang. natural killer), wzrost fibroblastów i syntezę kolagenu, fibronektyny i kwasu hialuronowego, działa chemotaktycznie na neutrofile (6). TNFα wykazuje zróżnicowaną aktywność w zależności od stężenia. Uwalniany w małych ilościach pełni rolę sygnalizacyjną, aktywuje m.in. czynnik transkrypcyjny NFκB indukujący ekspresję pozostałych miokin, pobudza komórki fagocytarne i intensyfikuje procesy naprawcze w uszkodzonych włóknach mięśniowych (32). Z drugiej strony, wysoki poziom TNFα utrudnia pobieranie glukozy przez komórki mięśniowe, zaburza fosforylację oksydacyjną w mitochondriach, stymuluje nadmierne wytwarzanie ROS, hamuje różnicowanie komórek satelitarnych i ostatecznie upośledza procesy naprawcze (21, 29). Stwierdzono, że poziom TNFα we krwi rośnie pod wpływem jednorazowego wysiłku fizycznego, ale jest niższy u sportowców w porównaniu do osób nietrenujących. Jest to jeden z objawów adaptacji do wysiłku fizycznego (37, 41). Z naszych obserwacji przeprowadzonych na grupie koszykarzy wynika, że ilość TNFα we krwi zależy od stosowanych obciążeń treningowych w poszczególnych okresach treningu. W okresie przygotowawczym, gdzie dominowały wysiłki o charakterze tlenowym, TNFα był niższy niż w fazie rozgrywek, przeciwnie do opisanej wcześniej IL-6. Najwyższy poziom TNFα zaobserwowano u koszykarzy w mezocyklu startowym,
Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych 105 gdzie dominowały wysiłki o charakterze beztlenowym niekwasomlekowym i uszkodzenie włókien mięśniowych. Zaobserwowane przez nas prawidłowości dotyczące uwalniania cytokin w poszczególnych okresach treningowych wskazują na możliwość wykorzystania pomiaru IL-6 i TNFα do oceny intensywności procesów anabolicznych i katabolicznych u zawodników (41). Podsumowanie Cytokiny pro- i przeciwzapalne wydzielane z włókien mięśniowych pod wpływem wysiłku fizycznego pełnią istotną rolę w poprawie metabolizmu mięśni szkieletowych, uruchomieniu zasobów energetycznych, krwiotworzeniu, wzrostu masy mięśniowej i sieci naczyń krwionośnych, i ostatecznym przystosowaniu organizmu do wysiłku fizycznego. Obserwacja zmian poziomu cytokin pochodzenia mięśniowego, ich wzajemnych relacji oraz integracji z procesami zachodzącymi w mięśniach może być przydatna w ocenie skutków wysiłku fizycznego. Piśmiennictwo 1. Cannon J. G. et al.: Increased interleukin 1β in human skeletal muscle after exercise. American Journal of Physiology 1989; 257, s. 451-455. 2. Childs A. et al.: Supplementation with vitamin C and N-acetylcysteine increases oxidative stress in humans after an acute muscle injury induced by eccentric exercise. Free Radical Biology & Medicine 2001; 31, s. 745-753. 3. Divangahi M. et al.: Impact of IL-10 on diaphragmatic cytokine expression and contractility during Pseudomonas infection. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology 2007; 36, s. 504-512. 4. Febbraio M., Pedersen B. K.: Musclederived interleukin-6: mechanisms and possible biological roles. FASEB Journal 2002; 16, s. 1335-1347. 5. Fischer C. P. et al.: Endurance training reduces the contraction-induced interleukin-6 mrna expression in human skeletal muscle. American Journal of Physiology, Endocrinology and Metabolism 2004; 287, s. E1189-E1194. 6. Gołąb J. et al.: Cytokiny [w:] Immunologia. Gołąb J., Jakóbisiak M., Lasek W. (eds). Warszawa 2005. Wyd. Naukowe PWN. 7. Gomez-Merino D. et al.: Effects of chronic exercise on cytokine production in white adipose tissue and skeletal muscle of rats. Cytokine 2007; 40, s. 23-29. 8. Gomez-Pinilla F. et al.: Differential regulation by exercise of BDNF and NT-3 in rat spinal cord and skeletal muscle. European Journal of Neuroscience 2001; 13, s. 1078-1084. 9. Hirose L., Nosaka K., Newton M.: Changes in inflammatory mediators following eccentric exercise of the elbow flexors. Exercise Immunology Review 2004; 10, s. 75-90. 10. Huey K.A. et al.: Exaggerated expression of skeletal muscle- derived interleukin-6, but not TNFalpha, in mice lacking interleukin-10. Journal of Neuroimmunology 2008; 199, s. 56-62. 11. Ji L. L. et al.: Acute exercise activities nuclear factor NF-κB signaling pathway in rat skeletal muscle. FASEB Journal 2004; 18, s. 1499-1506. 12. Kohut M. L. et al.: Aerobic exercise, but not flexibility/resistance exercise, reduces serum IL-18, CRP, and IL-6 independent of beta-blockers, BMI, and psychosocial factors in older adults. Brain, Behavior, and Immunity 2006; 20, s. 201-209. 13. Kosmidou I. et al.: Production of interleukin-6 by skeletal myotubes. Role of
106 reactive oxygen species. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology 2002; 26, s. 587-593. 14. Frydelund-Larsen L.L. et al.: Exercise induces interleukin-8 receptor (CXCR2) expression in human skeletal muscle. Experimantal Physiology 2007; 92, s. 233-240. 15. Malm C.: Exercise immunology: A skeletal muscle perspective. Exercise Immunology Review 2002; 8, s. 116-167. 16. Neumayr G. et al.: The impact of prolonged strenuous endurance exercise on interleukin 18 and interleukin 18 binding protein in recreational cyclists. International Journal of Sports Medicine 2005; 26, s. 836-840. 17. Nielsen A. R. et al.: Expression of interleukin-15 in human skeletal muscle effect of exercise and muscle fibre type composition. Journal of Physiology 2007; 584, s. 305-312. 18. Nieman D. C. et al.: Muscle cytokine mrna changes after 2.5 h of cycling: influence of carbohydrate. Medicine and Science in Sports and Exercise 2005; 37, s. 1283-1290. 19. Ostrowski K. et al.: Pro- and antiinflammatory cytokine balance in strenuous exercise in humans. Journal of Physiology 1999; 515, s. 287-291. 20. Peake J., Nosaka K., Suzuki K.: Characterization of inflammatory responses to eccentric exercise in humans. Exercise Immunology Review 2005; 11, s. 64-85. 21. Pedersen B. K., Febbraio M.: Musclederived interleukin-6 - a possible link between skeletal muscle, adipose tissue, liver, and brain. Brain, Behavior, and Immunity 2005; 19, s. 371-376. 22. Pedersen B. K., Woods J. A., Nieman D. C.: Exercise-induced immune changes an influence on metabolism? Trends in Immunology 2001; 22, s. 473-475. 23. Pedersen B.K. et al.: Role of myokines in exercise and metabolism. Journal of Applied Physiology 2007; 103, s. 1093- -1098. 24. Petersen E.W. et al.: Effect of vitamin supplementation on cytokine response and on muscle damage after strenuous exercise. American Journal of Physiology. Cell Physiology 2001; 280, s. 1570- -1575. 25. Petersen A. M. W, Pedersen B.K: Antiinflammatory effect of exercise. Journal of Applied Physiology 2005; 98, s. 1154-1162. 26. Pietrzak A. et al.: A concise history of discovery of selected cytokines involved in psoriasis pathogenesis. Annales Universitatis Mariae Curie Sklodowska 2007; 20, s. 75-82. 27. Plomgaard P., Penkova M., Pedersen B.K.: Fiber type specific expression of TNF-alpha, IL- 6 and IL-18 in human skeletal muscles. Exercise Immunology Review 2005; 11, s. 53-64. 28. Radak Z., Chung H. Y., Goto S.: Systemic adaptation to oxidative challenge induced by regular exercise. Free Radical Biology & Medicine 2008; 44, s. 153-159. 29. Reid M. B, Li Y. P: Tumour necrosis factor α and muscle wasting: a cellular perspective. www.respiratory-research. com 30. Riechman S. E. et al.: Association of interleukin-15 protein and interleukin-15 receptor genetic variation with resistance exercise training responses. Journal of Applied Physiology 2004; 97, s. 2214- -2219. 31. Saka Y. et al.: The mrna expression of neurotrophins in different skeletal muscles of young rats. Hiroshima Journal of Medical Sciences 2007; 56, s. 23-28. 32. Sednienko J., Gorczyca W. A.: Regulacja aktywności NF-κB. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej 2003; 57, s. 19-32. 33. Serrano A. L. et al.: Interleukin-6 is an essential regulator of satellite cell-mediated skeletal muscle hypertrophy. Cell Metabolism 2008; 7, s. 33-44. 34. Siamilis S. et al.: The effect of exercise and oxidant-antioxidant intervention on
Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych 107 the levels of neurotrophins and free radicals in spinal cord of rats. Spinal Cord: The Official Journal of the International Medical Society of Paraplegia 2008 (in press). 35. Steinberg J. G. et al.: Cytokine and oxidative responses to maximal cyckling exercise in sedentary subjects. Medicine and Science in Sports and Exercise 2007; 39, s. 964-968. 36. Steenberg A. et al.: IL-6 and TNF. expression in, and release from, contracting human muscle. American Journal of Physiology, Endocrinology and Metabolism 2002; 283, s. 1272-1278. 37. Suzuki K. et al.: Systemic inflammatory response to exhaustive exercise. Cytokine kinetics. Exercise Immunology Review 2002; 8, s. 46-48. 38. Vassilakopoulos T. et al.: Antioxidants attenuate the plasma cytokine response to exercise in humans. Journal of Applied Physiology 2003; 94, s. 1025-1032. 39. Zaccagnini G. et al.: P66ShcA and oxidative stress modulate myogenic differentiation and skeletal muscle regeneration after hind limb ischemia. Journal of Biological Chemistry 2007; 282, s. 31453- -31459. 40. Zembroń-Łacny A., Słowińska-Lisowska M., Szyguła Z., Witkowski K.: Association of pro-antioxidant status with immunological response in healthy men after oral N-acetyl-L-cysteine administration. Medicina Sportiva 2008; 12, s. 129-135. 41. Zembroń-Łacny A., Słowińska-Lisowska M., Superlak E.: Integration the cytokine response with pro-oxidative processes in training activity of professional basketball players. Journal of Human Kinetic 2008 (in press). Podziękowania Autorzy składają serdeczne podziękowania Panu dr Zbigniewowi Szygule za krytyczne przejrzenie manuskryptu i pomoc w jego zredagowaniu.