دانشمندان اثرات ورزش را در سطح سلولی بررسی می کنند

ورزش خطر ابتلا به بسیاری از بیماری ها را کاهش می دهد، اما دانشمندان هنوز به طور کامل درک نمی کنند که چگونه ورزش بدن را در سطح مولکولی تغییر می دهد. بیشتر مطالعات بر روی یک اندام، جنسیت یا نقطه زمانی متمرکز شده‌اند و تنها شامل یک یا دو نوع داده می‌شوند.

برای نگاهی جامع تر به زیست شناسی ورزش، دانشمندان با کنسرسیوم مبدل های مولکولی فعالیت بدنی (MoTrPAC) از مجموعه ای از تکنیک ها در آزمایشگاه برای تجزیه و تحلیل تغییرات مولکولی در موش ها در طول هفته ها تمرین شدید استفاده کردند.

این تیم از اندام های داخلی حیوانات مانند قلب، مغز و ریه‌ها را مورد مطالعه قرار دادند. آنها دریافتند که هر یک از اندام هایی که به آنها نگاه می کردند با ورزش تغییر می کنند و به بدن کمک می کنند تا سیستم ایمنی بدن را تنظیم کند، به استرس پاسخ دهد و مسیرهای مرتبط با بیماری التهابی کبد، بیماری قلبی و آسیب بافتی را کنترل کند.

داده ها سرنخ های بالقوه ای را در مورد بسیاری از شرایط مختلف سلامت انسان ارائه می دهد. به عنوان مثال، محققان توضیح احتمالی برای اینکه چرا کبد در حین ورزش کمتر چرب می شود، پیدا کردند که می تواند به توسعه درمان های جدید برای بیماری کبد چرب غیر الکلی کمک کند.این تیم امیدوار است که یافته‌های آنها روزی برای تنظیم ورزش با وضعیت سلامتی افراد یا ایجاد درمان‌هایی که اثرات فعالیت بدنی را برای افرادی که قادر به ورزش نیستند تقلید کند، مورد استفاده قرار گیرد. آنها قبلاً مطالعاتی را بر روی افراد برای ردیابی اثرات مولکولی ورزش آغاز کرده اند.

MoTrPAC که در سال 2016 راه اندازی شد، دانشمندانی از مؤسسه Broad MIT و هاروارد، دانشگاه استنفورد، مؤسسه ملی بهداشت و سایر موسسات را گرد هم می آورد تا فرآیندهای بیولوژیکی را که زیربنای مزایای سلامتی ورزش هستند، روشن کنند. پروژه Broad در اصل توسط استیو کار، مدیر ارشد پلتفرم پروتئومیکس Broad طراحی شد. کلاری کلیش، مدیر ارشد پلتفرم متابولومیک Broad. رابرت گرستن، عضو ارشد در Broad و رئیس پزشکی قلب و عروق در مرکز پزشکی Beth Israel Deaconess. و کریستوفر نیوگارد، استاد تغذیه در دانشگاه دوک.

 یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه گفت: «برای تولید و ادغام حجم عظیم داده‌هایی با کیفیت بالا، نیاز به تعداد قابل توجهی از دانشمندان با پیشینه‌های علمی متمایز بود. “این اولین نقشه کل ارگانیسم است که به اثرات آموزش در اندام های مختلف می پردازد. منبع تولید شده بسیار ارزشمند خواهد بود و در حال حاضر بینش های بیولوژیکی بالقوه جدیدی را برای اکتشاف بیشتر ایجاد کرده است.”

این تیم تمام داده های حیوانات را در یک مخزن عمومی آنلاین در دسترس قرار داده است. دانشمندان دیگر می توانند از این سایت برای دانلود استفاده کنند، به عنوان مثال، اطلاعاتی در مورد تغییر فراوانی پروتئین ها در ریه های موش های ماده پس از هشت هفته ورزش منظم بر روی تردمیل، یا پاسخ RNA به ورزش در تمام اندام های موش های صحرایی نر و ماده بیش از حد زمان.

انجام چنین مطالعه گسترده و دقیقی نیاز به برنامه ریزی زیادی داشت. کلیش گفت: «میزان هماهنگی که همه آزمایشگاه‌های درگیر در این مطالعه باید انجام می‌دادند فوق‌العاده بود.

با مشارکت Sue Bodine در کالج پزشکی کارور در دانشگاه آیووا، که گروهش نمونه‌های بافتی را از حیوانات پس از حداکثر هشت هفته آموزش جمع‌آوری کرد، سایر اعضای تیم MoTrPAC نمونه‌ها را به گونه‌ای تقسیم کردند که هر آزمایشگاه – تیم کار. تجزیه و تحلیل پروتئین‌ها، مطالعه متابولیت‌های کلیش و سایرین – نمونه‌های تقریباً یکسان را بررسی می‌کنند.

ناتالی کلارک، دانشمند محاسباتی در گروه کار، گفت: بسیاری از مطالعات در مقیاس بزرگ تنها بر یک یا دو نوع داده متمرکز هستند. اما در اینجا ما وسعت بسیاری از آزمایش‌های مختلف را روی بافت‌های یکسان داریم، و این به ما یک دید کلی از اینکه چگونه همه این لایه‌های مولکولی مختلف در پاسخ به تمرین کمک می‌کنند، می‌دهد.

در مجموع، تیم ها نزدیک به 10000 سنجش را برای انجام حدود 15 میلیون اندازه گیری بر روی خون و 18 بافت جامد انجام دادند. آنها دریافتند که ورزش بر هزاران مولکول تأثیر می گذارد، با شدیدترین تغییرات در غده آدرنال، که هورمون هایی را تولید می کند که بسیاری از فرآیندهای مهم مانند ایمنی، متابولیسم و ​​فشار خون را تنظیم می کند. محققان تفاوت های جنسی را در چندین اندام، به ویژه مربوط به پاسخ ایمنی در طول زمان، کشف کردند. بیشتر مولکول‌های سیگنال‌دهنده ایمنی منحصر به زنان بین یک تا دو هفته تمرین تغییراتی را در سطوح نشان دادند، در حالی که مولکول‌های موجود در مردان بین چهار تا هشت هفته تفاوت داشتند.

برخی از پاسخ ها در جنس ها و اندام ها سازگار بودند. برای مثال، محققان دریافتند که پروتئین‌های شوک حرارتی که توسط سلول‌ها در پاسخ به استرس تولید می‌شوند، در بافت‌های مختلف به روش‌های مشابهی تنظیم می‌شوند. اما بینش های دیگر مختص بافت بود. در کمال تعجب، تیم کار متوجه افزایش استیلاسیون پروتئین‌های میتوکندریایی شد که در تولید انرژی نقش دارند و سیگنال فسفریلاسیونی که ذخیره انرژی را تنظیم می‌کند، هر دو در کبد که در طول ورزش تغییر می‌کرد. این تغییرات می تواند به کبد کمک کند تا با ورزش کمتر چرب شود و کمتر مستعد ابتلا به بیماری شود و می تواند به محققان هدفی برای درمان های بعدی بیماری کبد چرب غیر الکلی بدهد.

ژان بلتران گفت: “اگرچه کبد مستقیماً درگیر ورزش نیست، اما همچنان دستخوش تغییراتی می شود که می تواند سلامتی را بهبود بخشد. هیچ کس حدس نمی زد که ما شاهد این تغییرات استیله و فسفوریلاسیون در کبد پس از تمرینات ورزشی باشیم.” این نشان می‌دهد که چرا ما همه این روش‌های مولکولی مختلف را به کار می‌گیریم — ورزش یک فرآیند بسیار پیچیده است و این فقط نوک کوه یخ است.

هاسمیک کشیشیان، رهبر ارشد گروه در گروه کار و یکی از نویسندگان این مطالعه، افزود: «دو یا سه نسل از همکاران پژوهشی در این پروژه کنسرسیوم به بلوغ رسیدند و یاد گرفتند که طراحی دقیق یک مطالعه و پردازش نمونه‌ها به چه معناست. “اکنون ما نتایج کار خود را می بینیم: یافته های بینش بیولوژیکی که از داده های با کیفیت بالایی که ما و دیگران تولید کرده ایم حاصل می شود. این واقعاً رضایت بخش است.”

دیگر مقالات MoTrPAC منتشر شده امروز شامل بررسی عمیق‌تر پاسخ چربی و میتوکندری در بافت‌های مختلف به ورزش است. مطالعات MoTrPAC اضافی برای مطالعه اثرات ورزش بر موش‌های بالغ و مسن‌تر و اثرات کوتاه‌مدت 30 دقیقه فعالیت بدنی در حال انجام است. این کنسرسیوم همچنین مطالعات انسانی را آغاز کرده است و در حال استخدام حدود 1500 فرد با سنین، جنس، اجداد و سطوح مختلف فعالیت برای یک کارآزمایی بالینی است تا اثرات ورزش های استقامتی و مقاومتی را در کودکان و بزرگسالان مطالعه کند.