نشریه فیزیولوژی ورزش و فعالیت بدنی

نشریه فیزیولوژی ورزش و فعالیت بدنی

تأثیر تمرین تناوبی با شدت بالا و مکمل روتین بر بیان ژن‌های PGC1-α، SIRT1 و TFAM در بافت قلب موش‌های صحرایی نر مبتلا به دیابت نوع دو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه فیزیولوژی ورزشی، دانشکده تربیت بدنی و علوم ورزشی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
چکیده
زمینه و هدف: دیابت نوع دو (T2DM) یک اختلال سوخت‌وسازی پیشرونده است که با هایپرگلایسمی مزمن، مقاومت به انسولین و اختلال در هومئوستاز انرژی سلولی مشخص می‌شود. دیابت با کاهش بیان ژن‌های PGC1-α، SIRT1 و TFAM، بیوژنز میتوکندری را مختل می‌سازد. این اختلال در بیوژنز میتوکندری، در دسترس بودن انرژی قلب را کاهش می‌دهد، موجب اختلال در عملکرد انقباضی می‌شود و در نهایت در بروز کاردیومیوپاتی دیابتی و نارسایی قلبی نقش دارد. در نتیجه، مداخلات غیردارویی مانند تمرین ورزشی ساختارمند و ترکیبات طبیعی به‌عنوان رویکردهای درمانی بالقوه و نهفته مورد توجه قرار گرفته‌اند. تمرین تناوبی پرشدت (HIIT) به‌دلیل ماهیت شدید و متناوب خود، نشان داده است که می‌تواند بیوژنز میتوکندری را تحریک کند و سوخت‌وساز انرژی را بهبود بخشد. به‌طور مشابه، روتین به‌عنوان یک فلاونوئید طبیعی با خواص ضداکسایشی و ضدالتهابی قوی، توانایی محافظت از کاردیومیوسیت‌ها در برابر فشار اکسایشی را دارد و شاید مسیرهای بیوژنز میتوکندری را نیز تحت تأثیر قرار دهد. از این‌رو، این پژوهش با هدف بررسی تأثیرات مستقل و ترکیبی تمرین تناوبی پرشدت و مکمل روتین بر بیان ژن‌های PGC-1α، SIRT1 و TFAM در بافت قلب موش‌های صحرایی دیابتی نوع دو انجام شد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش تجربی، 40 سر موش صحرایی نر ویستار دیابتی نوع دو (القاشده با یک بار تزریق درون‌صفاقی استرپتوزوتوسین و نیکوتین آمید) برگزیده و به‌طور تصادفی در پنج گروه هشت سری 1. کنترل دیابتی (DC)، 2. کنترل سالم (NC)، 3. تمرین تناوبی پرشدت (D+HIIT)، 4. مکمل روتین (D+R) و 5. تمرین تناوبی پر شدت و مکمل روتین (D+HIIT+R) جایگزین شدند. گروه‌های تمرین تناوبی پر شدت به مدت چهار هفته، پنج جلسه در هفته (5-6 وهلة دودقیقه‌ای دویدن با شدت 80 -90 درصد سرعت بیشینة دست‌یافته به‌همراه یک دقیقه بازیافت با 30 درصد از سرعت بیشینة دست‌یافته) به تمرین روی نوار گردان ویژه جوندگان پرداختند و گروه‌های دریافت روتین به مدت چهار هفته روزانه mg/kg 100 روتین را به‌صورت گاواژ دریافت کردند. تجزیه‌وتحلیل داده‌ها با استفاده از آزمون واریانس یک‌راهه و آزمون تعقیبی توکی انجام شد (05/0 >P).
نتایج: القای دیابت سبب کاهش معنا‌دار بیان ژن‌های PGC1-α، SIRT1 و TFAM در گروه کنترل دیابتی (DC) نسبت به گروه کنترل سالم (NC) شد (05/0>P ). هریک از مداخلات تمرین تناوبی پرشدت و دریافت مکمل روتین به‌تنهایی موجب افزایش معنا‌دار بیان این ژن‌ها شد (001/0 =P : PGC1-ɑ، 001/0 =P :SIRT1، 001/0 =P :TFAM). همچنین ترکیب تمرین تناوبی پرشدت با دریافت روتین اثر معناداری در افزایش بیان ژنی PGC1-ɑ (001/0 =P)، SIRT1 (001/0 =P) و TFAM (001/0 =P) نشان داد.
نتیجه‌گیری: تمرین تناوبی پرشدت (HIIT) و مکمل روتین، به‌تنهایی یا در ترکیب با یکدیگر، بیان ژن‌های PGC-1α، SIRT1 و TFAM را در بافت قلب موش‌های صحرایی نر دیابتی نوع دو افزایش می‌دهند. این افزایش شاید بتواند با بهبود بیوژنز میتوکندری و تولید ATP، سبب بهبود سوخت‌وساز انرژی میوکارد، کاهش فشار اکسایشی و قند خون، در راستای پیشگیری یا کاهش عوارض کاردیومیوپاتی دیابتی شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

The effect of high-intensity interval training and Rutin supplementation on the expression of PGC-1α, SIRT1, and TFAM Genes in the cardiac tissue of male wistar Rats with type 2 diabetes

نویسندگان English

mehran noroozi
Bahman Mirzaei
Department of Exercise Physiology, Faculty of Physical Education, University of Guilan, Rasht, Iran
چکیده English

Background and Purpose: Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a progressive metabolic disorder characterized by chronic hyperglycemia, insulin resistance, and impaired cellular energy homeostasis. Diabetes disrupts mitochondrial biogenesis through downregulation of the genes including PGC-1α, SIRT1, and TFAM. This impairment in mitochondrial biogenesis reduces cardiac energy availability, promotes contractile dysfunction, and ultimately contributes to the development of diabetic cardiomyopathy and heart failure. Consequently, non-pharmacological interventions such as structured exercise training and natural compounds have received considerable attention as potential and promising therapeutic approaches. High-intensity interval training (HIIT), owing to its intense and intermittent nature, has been shown to stimulate mitochondrial biogenesis and improve energy metabolism. Similarly, rutin, a natural flavonoid with potent antioxidant and anti-inflammatory properties, protects cardiomyocytes against oxidative stress and may also influence mitochondrial biogenesis pathways. Therefore, the present study was conducted to investigate the single and combined effects of HIIT and rutin supplementation on the gene expression of PGC-1α, SIRT1, and TFAM in the cardiac tissue of male Wistar rats with type 2 diabetes..
Materials and Methods: In this experimental study, 40 male wistar rats with type 2 diabetes (induced by a single intraperitoneal injection of streptozotocin and nicotinamide) were selected and randomly assigned to five groups of eight rats each: 1) Diabetic control (DC), 2) Normal control (NC), 3) High-Intensity Interval Training (D+HIIT), 4) Rutin supplementation (D+R), and 5) High-Intensity Interval Training plus Rutin supplementation (D+HIIT+R). The HIIT groups underwent a 4-week training protocol, consisting of five sessions per week (5-6 bouts of 2-minute running at 80-90% of maximum attained speed, interspersed with 1-minute recovery periods at 30% of maximum attained speed) on a specialized rodent treadmill and the Rutin supplementation groups received 100 mg/kg of Rutin daily via oral gavage for 4 weeks. Data analysis was performed using one-way analysis of variance (ANOVA) followed by Tukey's post-hoc test.
Results: Induction of diabetes significantly reduced the expression of PGC1-α, SIRT1, and TFAM genes in the diabetic control (DC) group compared to the normal control (NC) group (p

کلیدواژه‌ها English

Mitochondria
Rutin
HIIT
Type 2 diabetes
Diabetic cardiomyopathy
1. Ogurtsova K, Guariguata L, Barengo NC, Ruiz PL-D, Sacre JW, Karuranga S, et al. IDF diabetes Atlas: Global estimates of undiagnosed diabetes in adults for 2021. 2022;183:109118. DOI: 10.1016/j.diabres.2021.109118 2. Szendroedi J, Phielix E, Roden MJNRE. The role of mitochondria in insulin resistance and type 2 diabetes mellitus. 2012;8(2):92-103. DOI: 10.1038/nrendo.2011.138 3. Einarson TR, Acs A, Ludwig C, Panton UHJCd. Prevalence of cardiovascular disease in type 2 diabetes: a systematic literature review of scientific evidence from across the world in 2007–2017. 2018;17(1):83. DOI: 10.1186/s12933-018-0728-6 4. Hamby RI, Zoneraich S, Sherman LJJ. Diabetic cardiomyopathy. 1974;229(13):1749-54. DOI: 10.1001/jama.1974.03230510023016 5. Borghetti G, Von Lewinski D, Eaton DM, Sourij H, Houser SR, Wallner MJFip. Diabetic cardiomyopathy: current and future therapies. Beyond glycemic control. 2018;9:1514. . DOI: 10.3389/fphys.2018.01514 6. De Rosa S, Arcidiacono B, Chiefari E, Brunetti A, Indolfi C, Foti DPJFie. Type 2 diabetes mellitus and cardiovascular disease: genetic and epigenetic links. 2018;9:2. DOI: 10.3389/fendo.2018.00002 7. Lesnefsky EJ, Chen Q, Hoppel CLJCr. Mitochondrial metabolism in aging heart. 2016;118(10):1593-611. DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.116.307505 8. Beer M, Seyfarth T, Sandstede J, Landschütz W, Lipke C, Köstler H, et al. Absolute concentrations of high-energy phosphate metabolites in normal, hypertrophied, and failing human myocardium measured noninvasively with 31P-SLOOP magnetic resonance spectroscopy. 2002;40(7):1267-74. DOI: 10.1016/S0735-1097(02)02160-5 9. Li X, Liu J, Lu Q, Ren D, Sun X, Rousselle T, et al. AMPK: a therapeutic target of heart failure—not only metabolism regulation. 2019;39(1):BSR20181767. DOI: 10.1042/BSR20181767 10. Scarpulla RCJPr. Transcriptional paradigms in mammalian mitochondrial biogenesis and function. 2008;88(2):611-38. DOI: 10.1152/physrev.00025.2007 11. Wan X, Garg NJJFiC, Microbiology I. Sirtuin control of mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and inflammation in chagas disease models. 2021;11:693051. DOI: 10.3389/fcimb.2021.693051 12. Corbi G, Conti V, Scapagnini G, Filippelli A, Ferrara NJFiB-E. Role of sirtuins, calorie restriction and physical activity in aging. 2012;4(2):768-78. DOI: 10.2741/417 13. González-Montero J, Brito R, Gajardo AI, Rodrigo RJWjoc. Myocardial reperfusion injury and oxidative stress: Therapeutic opportunities. 2018;10(9):74. DOI: 10.4330/wjc.v10.i9.74 14. Guarente L, editor Sirtuins in aging and disease. Cold Spring Harbor symposia on quantitative biology; 2007: Cold Spring Harbor Laboratory Press. DOI: 10.1101/sqb.2007.72.024 15. Kemp K, Griffiths J, Campbell S, Lovell KJJoCs, Colitis. An exploration of the follow-up up needs of patients with inflammatory bowel disease. 2013;7(9):e386-e95. DOI: 10.1016/j.crohns.2013.03.001 16. Scarpulla RCJAotNYAoS. Nuclear control of respiratory chain expression by nuclear respiratory factors and PGC‐1‐related coactivator. 2008;1147(1):321-34. DOI: 10.1196/annals.1427.006 17. Zhao Q, Tian Z, Zhou G, Niu Q, Chen J, Li P, et al. SIRT1-dependent mitochondrial biogenesis supports therapeutic effects of resveratrol against neurodevelopment damage by fluoride. 2020;10(11):4822. DOI: 10.7150/thno.42387 18. Lv J, Bhatia M, Wang XJMD, Diseases. Roles of mitochondrial DNA in energy metabolism. 2017:71-83. DOI: 10.1007/978-981-10-6674-0_6 19. Larsson N-G, Wang J, Wilhelmsson H, Oldfors A, Rustin P, Lewandoski M, et al. Mitochondrial transcription factor A is necessary for mtDNA maintance and embryogenesis in mice. 1998;18(3):231-6. DOI: 10.1038/ng0398-231 20. Yang Q, Wang W-w, Ma P, Ma Z-x, Hao M, Adelusi TI, et al. Swimming training alleviated insulin resistance through Wnt3a/β-catenin signaling in type 2 diabetic rats. 2017;20(11):1220. DOI: 10.22038/IJBMS.2017.9473 21. Dotzert MS, Murray MR, McDonald MW, Olver TD, Velenosi TJ, Hennop A, et al. Metabolomic response of skeletal muscle to aerobic exercise training in insulin resistant type 1 diabetic rats. 2016;6(1):26379. DOI: 10.1038/srep26379 22. Hall KE, McDonald MW, Grisé KN, Campos OA, Noble EG, Melling CJJM. The role of resistance and aerobic exercise training on insulin sensitivity measures in STZ-induced Type 1 diabetic rodents. 2013;62(10):1485-94. DOI: 10.1016/j.metabol.2013.05.012 23. Gibala MJ, Little JP, MacDonald MJ, Hawley JAJTJop. Physiological adaptations to low‐volume, high‐intensity interval training in health and disease. 2012;590(5):1077-84. DOI: 10.1113/jphysiol.2011.224725 24. Talanian JL, Galloway SD, Heigenhauser GJ, Bonen A, Spriet LLJJoap. Two weeks of high-intensity aerobic interval training increases the capacity for fat oxidation during exercise in women. 2007. DOI: 10.1152/japplphysiol.01098.2006 25. Gibala MJ, Little JP, Van Essen M, Wilkin GP, Burgomaster KA, Safdar A, et al. Short‐term sprint interval versus traditional endurance training: similar initial adaptations in human skeletal muscle and exercise performance. 2006;575(3):901-11. DOI: 10.1113/jphysiol.2006.112094 26. Torma F, Gombos Z, Jokai M, Takeda M, Mimura T, Radak ZJSM, et al. High intensity interval training and molecular adaptive response of skeletal muscle. 2019;1(1):24-32. DOI: 10.1016/j.smhs.2019.08.003 27. Ganeshpurkar A, Saluja AKJSpj. The pharmacological potential of rutin. 2017;25(2):149-64. DOI: 10.1016/j.jsps.2016.04.025 28. Guimaraes JF, Muzio BP, Rosa CM, Nascimento AF, Sugizaki MM, Fernandes AA, et al. Rutin administration attenuates myocardial dysfunction in diabetic rats. 2015;14(1):90. DOI: 10.1186/s12933-015-0255-7 29. Rahimi G, Heydari S, Rahimi B, Abedpoor N, Niktab I, Safaeinejad Z, et al. A combination of herbal compound (SPTC) along with exercise or metformin more efficiently alleviated diabetic complications through down-regulation of stress oxidative pathway upon activating Nrf2-Keap1 axis in AGE rich diet-induced type 2 diabetic mice. 2021;18(1):14. DOI: 10.1186/s12986-021-00543-6 30. Wang H, Bei Y, Lu Y, Sun W, Liu Q, Wang Y, et al. Exercise prevents cardiac injury and improves mitochondrial biogenesis in advanced diabetic cardiomyopathy with PGC-1α and Akt activation. 2015;35(6):2159-68. DOI: 10.1159/000374021 31. Salwe KJ, Sachdev DO, Bahurupi Y, Kumarappan MJJons, biology,, medicine. Evaluation of antidiabetic, hypolipedimic and antioxidant activity of hydroalcoholic extract of leaves and fruit peel of Punica granatum in male Wistar albino rats. 2015;6(1):56. DOI: 10.4103/0976-9668.149085 32. Kamalakkannan N, Prince PSMJM, biochemistry c. Rutin improves the antioxidant status in streptozotocin-induced diabetic rat tissues. 2006;293(1):211-9. DOI: 10.1007/s11010-006-9244-1 33. Leandro CG, Levada AC, Hirabara SM, MANHAS-DE-CASTRO R, De-Castro CB, Curi R, et al. Aprogram of moderate physical training for wistar rats based on maximal oxygen consumption. 2007;21(3):751-6. DOI: 10.1519/R-20155.1 34. Delfan M, Vahed A, Bishop DJ, Amadeh Juybari R, Laher I, Saeidi A, et al. Effects of two workload-matched high intensity interval training protocols on regulatory factors associated with mitochondrial biogenesis in the soleus muscle of diabetic rats. 2022;13:927969. DOI: 10.3389/fphys.2022.927969 35. Paramesha B, Anwar MS, Meghwani H, Maulik SK, Arava SK, Banerjee SKJA. Sirt1 and Sirt3 activation improved cardiac function of diabetic rats via modulation of mitochondrial function. 2021;10(3):338. DOI: 10.3390/antiox10030338 36. Wang SY, Zhu S, Wu J, Zhang M, Xu Y, Xu W, et al. Exercise enhances cardiac function by improving mitochondrial dysfunction and maintaining energy homoeostasis in the development of diabetic cardiomyopathy. 2020;98(2):245-61. DOI: 10.1007/s00109-019-01861-2 37. Ko TH, Marquez JC, Kim HK, Jeong SH, Lee S, Youm JB, et al. Resistance exercise improves cardiac function and mitochondrial efficiency in diabetic rat hearts. 2018;470(2):263-75. DOI: 10.1007/s00424-017-2076-x 38. Samaie SS, Ravasi AA, Choobineh S, Delfan M. The effect of an aerobic exercise course on the gene expression of Sirt-1 and PGC-1α in the left ventricle of rats with type 2 diabetes. Research in Sport Physiology and Management. 2022;14(3):141-151. [In Persian] 39. Jokar M, Mohammad Sherafati Moghadam, and Farhad Daryanoosh. The effect of a period of high-intensity interval training on the content of AMPK and PGC-1α proteins in the heart muscle tissue of rats with type 2 diabetes. Daneshvar Medicine. 2021; 29(1):23-34.[In Persian] DOI: 10.22070/daneshmed.2021.12950.0 40. Seo S, Lee M-S, Chang E, Shin Y, Oh S, Kim I-H, et al. Rutin increases muscle mitochondrial biogenesis with AMPK activation in high-fat diet-induced obese rats. 2015;7(9):8152-69. DOI: 10.3390/nu7095385 41. Haghparast Azad M, Niktab, I., Dastjerdi, S., Abedpoor, N., Rahimi, G., Safaeinejad, Z., Peymani, M., Forootan, F.S., Asadi-Shekaari, M., Nasr Esfahani, M.H. and Ghaedi, K. The combination of endurance exercise and SGTC (Salvia–Ginseng–Trigonella–Cinnamon) ameliorate mitochondrial markers’ overexpression with sufficient ATP production in the skeletal muscle of mice fed AGEs-rich high-fat diet. Nutrition & metabolism. 2022;19(1):1. DOI: 10.1186/s12986-022-00652-w 42. Alaie M, Abbas Ali Gaeini, Reza Nouri, and Siroos Chobineh. Interaction effect of high interval and low intensity continuous trainings with crocin on the expressions of PGC-1a and UCP1 in heart tissue of male diabetic rats. Res Med. 2020;44(3):423-9. [In Persian] 43. Rafati M, Jabbar Bashiri, Roghayeh Poozesh Jadidi, and Hassan Pourrazi. Effect of 12 weeks of HIIT and Q10 supplementation on soleus muscle mitochondrial biogenesis in high-fat diet-induced obese rats. Journal of Sport and Exercise Physiology. 2022;15(2):29-40. [In Persian] DOI: 10.52547/joeppa.15.2.29 44. Juan CG, Kyle B. Matchett, and Gareth W. Davison. A systematic review and meta-analysis of the SIRT1 response to exercise. Scientific Reports. 2023;13(1):14752. DOI:10.1038/s41598-023-38843-x 45. Holloszy JOJJoap. Exercise-induced increase in muscle insulin sensitivity. 2005;99(1):338-43. DOI: 10.1152/japplphysiol.00123.2005 46. Botta A, Laher I, Beam J, DeCoffe D, Brown K, Halder S, et al. Short term exercise induces PGC-1α, ameliorates inflammation and increases mitochondrial membrane proteins but fails to increase respiratory enzymes in aging diabetic hearts. 2013;8(8):e70248. DOI: 10.1371/journal.pone.0070248 47. Mathrani A, Yip W, Sequeira-Bisson IR, Barnett D, Stevenson O, Taylor MW, et al. Effect of a 12-week polyphenol rutin intervention on markers of pancreatic β-cell function and gut microbiota in adults with overweight without diabetes. 2023;15(15):3360. DOI: 10.3390/nu15153360 48. Li L, Mühlfeld C, Niemann B, Pan R, Li R, Hilfiker-Kleiner D, et al. Mitochondrial biogenesis and PGC-1α deacetylation by chronic treadmill exercise: differential response in cardiac and skeletal muscle. 2011;106(6):1221-34. DOI: 10.1007/s00395-011-0213-9 49. Hardie DGJAron. AMP-activated protein kinase: maintaining energy homeostasis at the cellular and whole-body levels. 2014;34(1):31-55. DOI: 10.1146/annurev-nutr-071812-161148 50. Cantó C, Auwerx JJPr. Targeting sirtuin 1 to improve metabolism: all you need is NAD+? 2012;64(1):166-87. DOI: 10.1124/pr.110.003905 51. Little JP, Safdar A, Wilkin GP, Tarnopolsky MA, Gibala MJJTJop. A practical model of low‐volume high‐intensity interval training induces mitochondrial biogenesis in human skeletal muscle: potential mechanisms. 2010;588(6):1011-22. DOI: 10.1113/jphysiol.2009.181743

  • تاریخ دریافت 28 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 31 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 16 مهر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 16 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 فروردین 1405