サルコペニア予防には中程度の強度の運動が推奨される

ハーマンの老化に関するフリーラジカル理論は、老化が生体組織内のタンパク質、脂質、DNA への酸化的損傷の蓄積と関連していると提案しました 。このような損傷により、アデノシン三リン酸 (ATP) を生成する細胞小器官であるミトコンドリアの正常な機能が損なわれ、エネルギー生成が不足する可能性があります。高齢者を対象とした研究では、加齢に伴う有酸素能力の低下が実証されており、ミトコンドリアの機能不全や骨格筋の減少が根本的なメカニズムである可能性があることが示唆されています。実際、加齢に伴い骨格筋ミトコンドリアでは、ミトコンドリア DNA (mtDNA) 欠失の増加 、酵素活性と mtDNA 含有量の減少、酸化ストレスの増加など、多くの特徴的な変化が発生します。しかし、いくつかの研究では、老化そのものよりも、通常は人間の老化に伴う座りがちな生活の増加が、このような骨格筋機能の低下の大きな原因であると示唆しています。

座りがちな生活や老化それ自体がエネルギー代謝の低下の原因であるかどうかに関係なく、日常生活における身体的要求は高齢者にとって課題となります。したがって、さまざまな運動形式がミトコンドリアのエネルギーを回復するメカニズムを調査し、ミトコンドリアの老化を防ぎ、高齢者のサルコペニアの発症を阻止するためのこれらのさまざまな運動形式の有効性を比較します。

高齢者の運動トレーニング

持久力トレーニング

老化におけるミトコンドリア機能不全の正確な性質はまだ解明されていませんが、定期的な運動が筋量と有酸素運動能力の維持に役立つ可能性があるということではコンセンサスがあります 。持久力トレーニング (ET) は、酸化能力を改善し 、骨格筋のミトコンドリア生合成を誘導する ことがよく知られています。ET は高齢者の筋肉の質とエネルギー結合を改善するために多方面に作用し、それによってサルコペニアの改善に大きな可能性を秘めています。ET は加齢に伴う酸化能力の低下を防ぐことが十分に証明されています。たとえば、ある研究では、持久力トレーニングを受けた高齢男性（51～62歳）は、持久力トレーニングを受けた若い人（21～30歳）と同等のレベルでI型およびIIa型筋線維のSDH活性を保有していました。この酵素活性の上昇は、訓練を受けた高齢者が、訓練を受けていない同年齢の者と同様に、若い男性よりもタイプ II 線維の断面積が小さいにもかかわらず、持続しました。この研究には、習慣的な身体活動に基づいて被験者を集めた横断的なデザインが含まれていました。したがって、定期的な運動が筋肉の酸化能力を維持するのか、それともその逆なのかの時間的順序については明らかではありません。つい最近、別の研究では、持久力トレーニングを受けた若年男性と年配の男性と、年齢が一致した座りがちな男性の外側広筋の生検を分析しました。酸化的リン酸化タンパク質は活動的なグループで全般的に上昇しており、活動的な高齢者では座りがちな高齢者よりもCOX活性が有意に高く、前述の研究結果を裏付けている。

しかし、その後、数多くの介入試験によって時間的順序が解明され、ETが筋肉の酸化能力を改善するという事実が確認されました。前述の所見には因果関係の厳密さが欠けていますが、臨床介入で ET を実施すると、特に高齢者の筋肉の健康指標とエネルギー論が一貫して改善されます。例えば、以前は座りっぱなしだった健康な高齢者（67.3±0.6歳）において、12週間のET後にmtDNAとETC、特に複合体Iと複合体IIの活性の増加が観察された。ミトコンドリア機能の観察された改善は、観察されたミトコンドリア生合成の増加の結果であると考えられました。これに一致して、Short ら  は、21 歳から 87 歳までの男女に 16 週間の ET がピーク酸素摂取量 (VO 2ピーク) の改善だけでなく、骨格筋のミトコンドリア酵素活性と mRNA 発現の増加ももたらしたと報告しました。これらの変化は年齢に関係なく発生し、運動トレーニングに対する生物学的適応が老化した骨格筋でも維持されていることを示しています。おそらく、加齢に伴うミトコンドリアのエネルギー低下を救うETの可能性に関する最も包括的な研究は、Broskeyらの研究である。第一に、彼らは、活動的な人は、同年齢で座って過ごしている人よりも平均ミトコンドリア体積密度が 48.9% 高いだけでなく、電子伝達複合体 I、IV、および V の活性が著しく高いことを発見しました。 16週間中強度の持久運動に従事した人々（食事は変更なし）、PGC-1αおよびTFAM遺伝子発現の増加と同時にミトコンドリア体積密度が50.7%増加しただけでなく、電子伝達複合体III、IV、およびVも増加しました。これらの発見を総合すると、加齢そのものよりも身体活動レベルの方がミトコンドリアのエネルギー能力の大きな決定要因であることが確認され、したがって、高齢者で観察されるミトコンドリアの減少は、老化そのものというよりはむしろ活動レベルの低下の結果である可能性が高い。この研究の意味についての注意点は、酸化能力は有酸素運動によって確かに増加したが、ATP maxとミトコンドリア体積密度の実際の比率は変化しないままだったという事実にある。すなわち、酸化能力は、酸化結合効率の機能的変化によるものではなく、ミトコンドリア生合成の増加、したがってミトコンドリア体積の増加によるものである。

中程度の強度 (最大心拍数の約 75%) での自転車、ランニング、ボート漕ぎ、またはウォーキングによる研究では、被験者は「片足プレス」StairMaster マシンとカヤックをシミュレートするマシンを心拍数 80 ～ 85% で使用しました 。これらは両方とも、コンディショニングエクササイズであることに加えて、重量負荷であるため、ある種のレジスタンストレーニングの要素を備えています。これは、介入後に持ち上げられる重量が増加し、VO 2 max の増加が比較的小さい（わずか 5.4%）ことに反映されています。プログラムの長さはより長いにもかかわらず、他のETの研究と同様です。

ET の強度に関しては、強度の高いトレーニングほど、ミトコンドリアの呼吸能力がより迅速かつ大幅に改善されるようです。Granataらによる研究では、4週間のスプリントインターバルトレーニング（ピークパワー出力の約200％で4〜10×30秒のオールアウトトレーニング）、ただしHIITまたは亜乳酸閾値継続トレーニングではなく、最大ミトコンドリア呼吸とPGCが増加しました。これと一致して、別の研究では、高強度（最大 VO 2の 80%）のサイクリングを 1 回行うと、PGC-1α mRNA が 10.2 倍増加するのに対し、等カロリーの低強度（最大 VO 2の 40% ）では、PGC-1α mRNA の増加はわずか 3.8 倍であることがわかりました。この現象について考慮する価値があるのは、線維動員の違いと線維応答特性の違いです。具体的には、VO 2 maxの 80% でのトレーニングでは主に II 型線維が動員され、VO 2 max の 40% でのトレーニングでは主に I 型線維が動員されます。II 型線維がトレーニング刺激に応答して PGC-1α 転写を上方制御するより大きな能力を持っていることを示しています。具体的には、前述の試験の高強度グループと同様の強度である最大VO 2の70～80 ％でインターバルトレーニングを6週間行った後、PGC-1αタンパク質含有量はタイプIIa線維で2.8倍、タイプII線維で1.5倍増加した。 興味深いことに、最近の研究では、6週間の継続的な持久力トレーニング（最大VO 2の約65％ ）とHIIT（最大VO 2の約170％ ）は、筋肉内シグナル伝達、さらには線維タイプの動員に非常によく似た変化をもたらし、ほとんど影響を与えないことがわかりました。
持久力トレーニングのもう 1 つの潜在的な利点は、加齢に伴う骨格筋のオートファジーの低下を逆転させる能力です。週に5回トレッドミルを8週間実行した後、生後12か月のマウスでは重要なオートファジー調節因子であるオートファジー関連遺伝子7とベクリン-1の発現レベルが回復した。このような発見は他の研究と一致しており、オートファジーにおける同様のアップレギュレーションが単回のトレーニングでも見られます。たとえば、ある研究  では、水泳を 1 回行った後、いくつかのオートファジータンパク質、Atg5、Atg7、p62、および LC3-II が上方制御され、オートファジー制御の重要な状態である Ulk1 リン酸化が腓腹筋で増加しました。さらに、骨格筋オートファジーに対する有酸素トレーニングの効果は、運動強度に依存する可能性があります。ある研究では、中程度の強度のトレッドミルランニング（20m/分）により、オートファジー遺伝子の発現が予想どおり増加しました。しかし、逆に、マウスの乳酸閾値である 20 m/分を超える高強度 (30 m/分) のトレッドミル ランニングでは、オートファジー遺伝子の発現が減少しました。有酸素運動は二峰性反応でオートファジーを誘導すると考えられ、中程度の強度のETで最適化される可能性があります。

レジスタンストレーニング

筋力は加齢に伴って筋肉量よりも大幅に、そしてより大きな割合で低下しますが、これは年齢とともに筋肉の「質」が低下することを示しています。
加齢に伴う骨格筋の減少は主に II 型筋線維の減少に起因しており、これは筋肉の「質」とサルコペニアで減少するピークフォースに密接に関係しています。レジスタンス トレーニング (RT) は、II 型筋線維のサイズと数を直接増加させるため 、したがって、サルコペニアに対する介入の価値のある候補です。ET のミトコンドリアへの利点に関する証拠はしっかりしていますが、ミトコンドリア結合に対する RT の影響についてはほとんど研究されていません。すべてのレジスタンス トレーニングは同じように作成されるわけではありません。反復範囲は、どのエネルギー システムが利用されるか、したがってミトコンドリアがどのように動員され調節されるかによって大きく決まります。したがって、高反復トレーニングを除いて、ほとんどの RT は無酸素運動として分類できるため、理論上、RT は ET ほどミトコンドリアとの関係はありません。したがって、筋肉量と筋力の増加、機能と可動性の維持、代謝の健康の改善におけるRTの前述の利点は広く実証されているが、RTのミトコンドリア効果はあまり確立されていない。それにもかかわらず、最近の証拠は、RTが高齢者の骨格筋ミトコンドリア機能を改善し、筋エネルギーを回復させる可能性があることを示しており、高齢者における初期の証拠では、慢性的なRT介入が表現型的に筋力低下を改善するだけでなく、年齢の転写サインを著しく逆転させることを示しています。
骨格筋肥大には通常、筋線維内の新しい筋核が伴いますが、これは主に筋衛星細胞または筋幹細胞に由来します。しかし、最近の研究では、I 型線維と II 型線維の間で筋核の増加と筋肥大の間に異なる関係があることが示されており、2 つのタイプ間の肥大機構の違いが示唆されています。高齢者（71±4.4歳）の成人を対象に12週間のレジスタンストレーニングを行った後、筋核含量はI型線維のみで増加したにもかかわらず、II型線維肥大は予想通りI型線維肥大よりはるかに大きかった（23対8％）。 したがって、II型筋核は、サテライト細胞の分化または筋核の発生がない場合でも、RT誘発性の肥大をサポートする程度まで転写活性を上方制御できると推測されています。これは、繊維の種類によって肥大化プロセスが異なる多くの方法のうちの 1 つを反映しています。

ポーターら は、8～10回の繰り返しを3～4セット行う12週間の全身RTにより、ミトコンドリア生合成やミトコンドリア生合成を増強することなく、電子伝達能力が65%増加し、固有のミトコンドリア機能とともに最大共役呼吸が大幅に強化されることを発見した。音量。興味深いことに、複合体 I を介した NADH の共役呼吸は RT によって大幅に増加しましたが、複合体 II の活性はわずかしか増加しませんでした。つまり、RT はミトコンドリアの総呼吸容量を増加させるため、複合体 I と複合体 II の両方の活性を増加させましたが、相対的な寄与は複合体 I に大きくシフトしました。RTが実際に骨格筋における酸化結合を強化すること、そしてそれがミトコンドリア生合成やミトコンドリア体積の増加とは無関係に強化することを示しており、これはRTに関する我々の以前の推測と一致している。
同様の改善が高齢者のRTによってもたらされることが実証されています。Pariseらによる研究では、28人の高齢者（年齢68.5±5.1歳）が、全身RTを週に3回、1セット当たり10～12回の範囲で3セット、各セット間に2分間の休憩を挟んで14週間実施した。この RT 介入後、ETC 複合体 IV 活性はミトコンドリアのクレアチンキナーゼ含有量とともに増加しましたが、ミトコンドリア質量、mtDNA 欠失、およびその他の ETC 複合体活性は変化しませんでした。これは、ミトコンドリアの体積とは無関係にミトコンドリア機能が質的に改善されたことを再度示唆しています。さらに興味深いことに、抗酸化酵素タンパク質の含有量に変化はなく、尿中 8-OHdG が 17.5% 減少することで測定されるように、RT は酸化ストレスを軽減しました 。したがって、RT は抗酸化活性を誘導することによって酸化ストレスを減少させるのではなく、複合体 IV/I + III 比の増加で観察されるように、ETC 電子束を増強することによって ETC 電子漏洩を減少させることによって酸化ストレスを減少させる可能性があると考えられます 。
低容量および低反復の RT は、筋力の向上にもかかわらず、ミトコンドリア変化の誘発には効果がないようです。低ボリューム RT、低反復 RT、または最大随意収縮 (MVC) と同様に、RT は中程度から高反復およびボリューム トレーニングと同じミトコンドリアの利点をもたないと思われます。これを実証する最近の研究では、10人の高齢者（75±9歳）が8週間のMVC膝伸展大腿四頭筋トレーニングを受けたところ、複合体I活性の低下とピーク酸化作用に伴い、ADP刺激の最大呼吸数が実際に減少したことが判明した。
繰り返し範囲が増加する (そして %MVC が減少する) につれて、RT の利点は本質的にますます酸化的でエネルギー的なものになり、ET によってもたらされる改善とより大きな程度で重複します。したがって、低反復の MVC RT はサルコペニアの機能不全を軽減する機能的利点をもたらしますが、そのような改善はミトコンドリアの変化とは完全に独立して得られる可能性があります。高反復 RT のさらなる利点は、ランニングやサイクリングなどの ET 形式に取り組むのに必要な持久力が不足している高齢者や、MVC トレーニングの割合が高いと重い負荷に耐えて怪我をする危険がある高齢者にとって、より利用しやすい可能性があることです。一方、中程度の反復RTはETと同様に酸化能力を向上させ、ミトコンドリア結合効率の向上と質的変化の誘発においてETよりも効果的であるとさえ思われます。ランニングなどのETは高齢者には実行不可能である可能性があることを考慮すると、高反復のRTがETまたはCTと同様のミトコンドリアの改善をもたらし、より安全でアクセスしやすいRTになるのではないかと推測します。高齢者向けのオプション。高反復、低負荷のRTは、筋肥大の誘発において低反復、高負荷のRTと同等に効果的であることが実証されているが、高反復トレーニングがミトコンドリアのエネルギーに及ぼす影響はまだ研究されていないため、調査が必要である。 

骨格筋の老化は、運動機能の低下と筋肉量の減少に関連しており、サルコペニアとして知られる状態です。この病態を引き起こす根本的なメカニズムは、加齢に伴うミトコンドリア機能の低下または不使用による骨格筋でのエネルギー生成の不全に関連しています。生涯にわたる運動は、骨格筋のエネルギー特性を維持するのにある程度効果があり、サルコペニアの発症を遅らせる可能性があります。骨格筋老化の分子的特徴を逆転させ、サルコペニアを食い止めるための最も効果的な運動方法は中程度の強度の持久系もしくは
レジスタンス系、あるいはその複合的な運動と考えられた。
これには、ミトファジー、オートファジーによる機能不全ミトコンドリアの除去、およびサルコペニアに伴う筋線維タイプの変化がミトコンドリア機能に及ぼす影響が含まれます。