Bewegung schützt nachweislich vor einer Vielzahl von Krankheiten und ist möglicherweise die stärkste Anti-Aging-Maßnahme, die der Wissenschaft bekannt ist. Während körperliche Aktivität die Gesundheit während des Alterns verbessern kann, nehmen ihre wohltuenden Wirkungen jedoch zwangsläufig ab. Die zellulären Mechanismen, die der Beziehung zwischen Bewegung, Fitness und Alterung zugrunde liegen, sind noch weitgehend unverstanden.
In einem in der Proceedings of the National Academy of Sciences, untersuchten Forscher am Joslin Diabetes Center die Rolle eines zellulären Mechanismus bei der Verbesserung der körperlichen Fitness durch körperliches Training und identifizierten eine Anti-Aging-Intervention, die die Abnahme verzögert, die mit dem Altern im Modellorganismus auftritt. Zusammen öffnen die Ergebnisse der Wissenschaftler die Tür zu neuen Strategien zur Förderung der Muskelfunktion während des Alterns.
„Übung wird vielfach eingesetzt, um die Lebensqualität zu verbessern und sich vor degenerativen Krankheiten zu schützen, und beim Menschen verringert ein langfristiges Trainingsprogramm die Gesamtsterblichkeit“, sagte der Mitautor T. Keith Blackwell, MD, Ph.D., ein leitender Ermittler und Abteilungsleiter für Inselzellen und regenerative Biologie bei Joslin. „Unsere Daten identifizieren einen wesentlichen Mediator für die Reaktionsfähigkeit bei Übungen und einen Einstiegspunkt für Interventionen zur Aufrechterhaltung der Muskelfunktion während des Alterns.“
Dieser wesentliche Vermittler ist der Zyklus der Fragmentierung und Reparatur der Mitochondrien, der spezialisierten Strukturen oder Organellen in jeder Zelle, die für die Energieerzeugung verantwortlich sind. Die Funktion der Mitochondrien ist entscheidend für die Gesundheit, und die Störung der mitochondrialen Dynamik, des Zyklus der Reparatur dysfunktionaler Mitochondrien und der Wiederherstellung der Konnektivität zwischen den energieproduzierenden Organellen, wurde mit der Entwicklung und dem Fortschreiten chronischer, altersbedingter Krankheiten wie Herzerkrankungen und Typ 2 Diabetes.
„Da wir wahrnehmen, dass unsere Muskeln nach einer Trainingseinheit einem Muster der Ermüdung und Wiederherstellung unterliegen, durchlaufen sie diesen mitochondrialen dynamischen Zyklus“, sagte Blackwell, der auch amtierender Abteilungsleiter der Immunbiologie bei Joslin ist. „Die Muskulatur bewältigt dabei die Nachwirkungen der Stoffwechselbelastung und stellt ihre Funktionsfähigkeit wieder her.“
Blackwell und Kollegen – einschließlich Co-Korrespondenzautor Julio Cesar Batista Ferreira, Ph.D., Institute of Biomedical Sciences, University of Sao Paulo – untersuchten die Rolle der mitochondrialen Dynamik während des Trainings am Modellorganismus C. elegans, einem einfachen, gut untersuchte mikroskopisch kleine Wurmarten, die häufig in der Stoffwechsel- und Alterungsforschung verwendet werden.
Die Forscher beobachteten bei der Aufzeichnung von C. elegans-Würmern vom Wildtyp beim Schwimmen oder Krabbeln einen typischen altersbedingten Rückgang der körperlichen Fitness über die 15 Tage des Erwachsenenalters der Tiere. Die Wissenschaftler zeigten auch eine signifikante und fortschreitende Verschiebung hin zu fragmentierten und/oder desorganisierten Mitochondrien in den alternden Tieren. Beispielsweise beobachteten sie bei jungen Würmern am ersten Tag des Erwachsenenalters, dass eine einzige körperliche Anstrengung nach einer Stunde zu Müdigkeit führte. Die 60-minütige Sitzung verursachte auch eine Zunahme der mitochondrialen Fragmentierung in den Muskelzellen der Tiere, aber ein Zeitraum von 24 Stunden war ausreichend, um sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die mitochondriale Funktion wiederherzustellen.
Bei älteren (Tag 5 und Tag 10) Würmern kehrte die Leistung der Tiere nicht innerhalb von 24 Stunden auf den Ausgangswert zurück. Ebenso durchliefen die Mitochondrien der älteren Tiere einen Kreislauf der Fragmentierung und Reparatur, aber die dabei auftretende Netzwerkreorganisation war im Vergleich zu der der jüngeren Tiere geringer.
„Wir haben festgestellt, dass eine einzelne Trainingseinheit einen Zyklus von Müdigkeit und Erholung der körperlichen Fitness induziert, der von einem Zyklus des Wiederaufbaus des mitochondrialen Netzwerks begleitet wird“, sagte Erstautorin Juliane Cruz Campos, Postdoktorandin am Joslin Diabetes Center. „Das Altern dämpfte das Ausmaß, in dem dies auftrat, und führte zu einem parallelen Rückgang der körperlichen Fitness. Das deutet darauf hin, dass die mitochondriale Dynamik wichtig sein könnte, um die körperliche Fitness aufrechtzuerhalten und möglicherweise die körperliche Fitness durch eine Trainingseinheit zu verbessern.“
In einer zweiten Reihe von Experimenten ließen die Wissenschaftler Wildtypwürmer an 10 aufeinanderfolgenden Tagen eine Stunde pro Tag schwimmen, beginnend mit dem Einsetzen des Erwachsenenalters. Das Team stellte fest, dass – wie bei Menschen – das langfristige Trainingsprogramm die Fitness der Tiere im mittleren Alter am 10. Tag signifikant verbesserte und die Beeinträchtigung der mitochondrialen Dynamik, die typischerweise während des Alterns auftritt, milderte.
Schließlich testeten die Forscher bekannte lebensverlängernde Interventionen auf ihre Fähigkeit, die körperliche Leistungsfähigkeit im Alter zu verbessern. Würmer mit erhöhtem AMPK – einem Molekül, das ein Schlüsselregulator der Energie während des Trainings ist und auch die Umgestaltung der mitochondrialen Morphologie und des Stoffwechsels fördert – zeigten eine verbesserte körperliche Fitness. Sie demonstrierten auch die Aufrechterhaltung, aber nicht die Verbesserung der Trainingsleistung während des Alterns. Würmer, denen AMPK fehlt, zeigten während des Alterns eine verringerte körperliche Fitness sowie eine Beeinträchtigung des Erholungszyklus. Sie erhielten auch nicht die altersverzögernden Vorteile von Bewegung im Laufe der Lebensspanne.
„Ein wichtiges Ziel auf dem Gebiet des Alterns ist es, Interventionen zu identifizieren, die nicht nur die Lebensdauer verlängern, sondern auch die Gesundheit und Lebensqualität verbessern“, sagte Blackwell, der auch Professor für Genetik an der Harvard Medical School ist. „Bei alternden Menschen ist ein Rückgang der Muskelfunktion und der Belastungstoleranz ein Hauptanliegen, das zu einer erheblichen Morbidität führt. Unsere Daten weisen auf potenziell fruchtbare Interventionspunkte hin, um diesem Rückgang vorzubeugen – höchstwahrscheinlich zusammen mit anderen Aspekten des Alterns. Es wird großartig sein Interesse zu bestimmen, wie die Plastizität des mitochondrialen Netzwerks die körperliche Fitness zusammen mit der Langlebigkeit und altersbedingten Krankheiten beim Menschen beeinflusst.
Mehr Informationen:
Juliane Cruz Campos et al, Übung bewahrt die körperliche Fitness während des Alterns durch AMPK und mitochondriale Dynamik, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2204750120