FUNDAMENTO: Cronicamente, os glicocorticóides induzem alterações cardiometabólicas adversas, incluindo resistência à insulina, diabete, dislipidemia, esteatose hepática e hipertensão arterial. OBJETIVOS: Avaliar o efeito da prática regular de exercício físico aeróbio sobre as alterações cardiometabólicas induzidas por administração crônica de dexametasona (Dex - 0,5 mg/kg/dia i.p) em ratos. MÉTODOS: Ratos Wistar machos (n = 24) foram divididos em quatro grupos: Grupo controle; Grupo treinado; Grupo tratado com Dex e Grupo tratado com Dex e treinado. O treinamento físico (iniciado 72 horas após a primeira dose de Dex) foi realizado 3 vezes por semana, até o final do tratamento. Ao final desse período, realizaram-se as seguintes avaliações bioquímicas: glicemia em jejum, teste de tolerância à glicose e análise do perfil lipídico no sangue que incluiu colesterol total (CT), LDL-c, HDL-c, VLDL-c e triglicerídeos (TG). O peso do músculo gastrocnêmio, análise histopatológica do fígado e os índices cardiometabólicos (CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c e TG/HDL-c) também foram avaliados. RESULTADOS: Observou-se hiperglicemia, menor tolerância à glicose, elevação do CT, LDL-c, VLDL-c e TG, diminuição do HDL-c, presença de esteatose hepática, hipotrofia muscular e elevação dos índices CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c e TG/HDL-c nos animais tratados com Dex. O exercício físico reduziu a hiperglicemia, melhorou a tolerância à glicose, reduziu a dislipidemia e preveniu a esteatose hepática , a hipotrofia muscular e reduziu os índices CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c e TG/HDL-c. Entretanto, não houve efeito significante do treinamento físico sobre o HDL-c. CONCLUSÃO: O exercício físico aeróbio tem efeito protetor contra as alterações cardiometabólicas induzidas pelo uso crônico de glicocorticóides.
ARTIGO ORIGINAL
EXPERIMENTAL
IDepartamento de Fisioterapia, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza
IIDepartamento de Ciências Farmacêuticas, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza
IIIDepartamento de Ciências da Nutrição, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza
IVFaculdade de Medicina, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, Fortaleza, CE, Brasil
Os glicocorticóides (GCs) são corticosteróides, substâncias derivadas do colesterol, sintetizados e secretados pelas glândulas adrenais1. Os GCs são hormônios que atuam no controle transcricional de genes envolvidos na regulação de funções metabólicas, cardiovasculares e imunológicas1. Esse efeito se processa através do receptor nuclear de glicocorticóide (GR), que é ativado, transitoriamente, apenas após a exposição das células aos GCs1,2.
O termo "glicocorticóide" deve-se à ação dessas substâncias no metabolismo de carboidratos. No músculo esquelético, os GCs causam resistência à insulina, o que resulta em menor captação de glicose e redução da síntese do glicogênio muscular1. Nesse tecido, também se verifica inibição da síntese protéica e aumento no catabolismo de proteínas que resultam em hipotrofia muscular1. Os aminoácidos mobilizados, a partir do tecido muscular, são utilizados na gliconeogênese hepática1. A resistência à insulina e o aumento na gliconeogênese, conjuntamente, resultam na hiperglicemia1.
Na década de 1950, a descoberta do potente efeito antiinflamatório dos GCs levou à sua prescrição no tratamento de doenças reumáticas crônicas3. Atualmente, os GCs sintéticos são bastante utilizados no tratamento de doenças auto-imunes e na prevenção da rejeição alográfica4,5. Entretanto, o uso crônico de GCs está associado a vários efeitos cardiometabólicos adversos6,7. Assim como na síndrome de Cushing, causada por níveis elevados de cortisol no sangue, o uso crônico de GCs induz resistência à insulina, diabete, dislipidemia e hipertensão arterial8. Se não tratada, a síndrome de Cushing pode resultar em óbito por doença cardiovascular6,8.
Os GCs teriam um papel na fisiopatologia da síndrome metabólica ou plurimetabólica. Recentemente, demonstrou-se que elevada expressão gênica de GR no músculo esquelético está associada a menor sensibilidade à insulina9. Por sua vez, a 11-beta-hidroxiesteróide desidrogenase, que converte cortisona (GC inativo) em cortisol (GC, biologicamente, ativo), também tem sido implicada no desenvolvimento da obesidade, na resistência a insulina e no diabete tipo II10. Ratos tratados cronicamente com dexametasona (um GC sintético) têm sido utilizados no estudo experimental da síndrome metabólica. Esses animais desenvolvem resistência à insulina, hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia, fígado gorduroso não-alcoólico (esteatose hepática), disfunção endotelial e hipertensão arterial7. Diretrizes clínicas sobre o tratamento e a prevenção da aterosclerose11 reconhecem o risco cardiometabólico causado pelo uso crônico de GCs e estimulam mudanças no estilo de vida como estratégia de promoção da saúde cardiovascular.
A atividade física regular é um importante recurso não-farmacológico no gerenciamento do risco cardiometabólico11. No músculo esquelético, o exercício físico aumenta a captação e oxidação de glicose e de ácidos graxos a partir do sangue12,13, melhora a sinalização insulínica13,14, aumenta a atividade e expressão de transportadores e enzimas reguladoras do metabolismo de glicose e de ácidos graxos14,15, promove biogênese mitocondrial12 e melhora a vasodilatação endotélio-dependente16.
Entretanto, evidências científicas sobre o efeito do exercício físico nas alterações cardiometabólicas decorrentes do uso crônico de GCs ainda são escassas na literatura. No presente estudo, o impacto do exercício físico aeróbio sobre parâmetros cardiometabólicos em ratos tratados, cronicamente, com glicocorticóide foi investigado.
O presente trabalho foi aprovado pela Comissão de Ética em Pesquisa Animal (CEPA) da Faculdade de Medicina da Universidade Federal do Ceará. Todos os animais receberam cuidados humanísticos conforme os Princípios Éticos do Colégio Brasileiro de Experimentação Animal (COBEA) e segundo as regras do
Foram utilizados ratos albinos da linhagem Wistar (
Os animais (n = 24) foram distribuídos, aleatoriamente, em 4 grupos: Grupo controle (constituído por ratos sedentários e não-tratados com GC; n = 6); Grupo treinado (constituído por ratos submetidos somente ao treinamento físico; n = 6); 3. Grupo tratado (constituído por ratos sedentários e tratados com GC; n/ = 6); 4. Grupo tratado e treinado (composto por ratos tratados com GC e submetidos ao treinamento físico; n = 6).
Ao final do estudo, realizaram-se as seguintes análises bioquímicas no sangue: glicemia em jejum, teste oral de tolerância à glicose (TOTG), concentração sérica de colesterol total (CT), concentração sérica de lipoproteína de baixa densidade colesterol (LDL-c), concentração sérica de lipoproteína de alta densidade colesterol (HDL-c), concentração sérica de lipoproteína de muito baixa densidade colesterol (VLDL-c) e concentração sérica de triglicerídeos (TG). Ao final do estudo, o peso do músculo gastrocnêmio foi determinado e o fígado foi utilizado para confecção de lâminas e posterior análise histopatológica.
Também foram avaliados os seguintes índices cardiometabólicos: índices aterogênicos de Castelli I (CT/HDL-c) e II (LDL-c/HDL-c), e a razão TG/HDL-c. Os índices de Castelli são utilizados para análise do risco coronariano na presença de fatores de risco cardiovascular17. Já, a razão TG/HDL-c é associada ao risco cardiovascular conferido pela resistência à insulina18.
Os animais foram tratados com dexametasona (Dex - 0,5/ mg/kg/dia i.p.) (Decadron®, Prodome, Brasil), durante 1 mês, e sempre no mesmo horário. Essa dose causa resistência à insulina em 7 dias 19.
Previamente, foi realizado um teste de esforço progressivo nos animais submetidos ao treinamento físico. Para tal, utilizou-se uma Rota Rod Treadmill (modelo 7700 da Ugo Basile®, Milão, Itália). Após o período de adaptação ao equipamento, sugerido pelo fabricante, aplicou-se um protocolo personalizado cuja velocidade inicial foi de 3 rotações por minuto (rpm), com incrementos de 3 rpm, a cada 3 minutos (
O treinamento físico foi realizado 3 vezes por semana, sempre no mesmo horário (19 h) e se estendeu até o final do tratamento com Dex. A intensidade do exercício foi de 60 % da velocidade máxima atingida pelos animais no teste de esforço, sendo o protocolo de treinamento considerado como de intensidade moderada. Antes de atingirem a velocidade de treinamento, os animais foram submetidos ao aquecimento em velocidade baixa (2 rpm), durante 6 minutos. O exercício teve duração de 60 minutos, e a primeira sessão foi realizada 72 horas após a primeira dose de Dex.
O peso dos animais foi acompanhado por meio de mensurações semanais, sendo que a primeira determinação foi realizada antes da primeira dose de Dex.
Após 72 horas da última sessão de exercício, os animais foram mantidos em jejum de 12 horas. Em seguida, foram anestesiados com pentobarbital sódico (40 mg/kg i.p.; Nembutal®, Abbot Laboratories, Abbot Park, Illinois, EUA). Realizou-se uma incisão cirúrgica na pata traseira dos animais, e, em seguida, a veia femoral foi localizada. Uma alíquota de sangue (300 µl) foi coletada para determinação da glicemia sanguínea utilizando um glicosímetro digital (Accu-Chek Active®; Roche Diagnostic System, Branchburg, NJ, EUA). O TOTG foi realizado após administração oral de glicose (1 g/kg peso corporal) por gavagem. Novas alíquotas de sangue foram coletadas após 30, 60 e 120 minutos.
As concentrações de lipídeos séricos foram determinadas por espectrofotometria e segundo orientações e recomendações do
Equação de Friedewald = [LDL-C = CT - ( HDL-C + TG/5 )]
Após a eutanásia, o músculo gastrocnêmio foi retirado, cirurgicamente, com preservação das duas inserções proximais e da distal. O peso do músculo esquelético foi determinado utilizando uma balança de precisão (modelo 750 SW - Ohaus Corp., Pine Brook, NJ, EUA). O gastrocnêmio foi escolhido para o estudo do efeito da Dex sobre o metabolismo protéico, por apresentar uma grande proporção de fibras de contração rápida, uma vez que essas fibras são mais suscetíveis à ação catabólica dos GCs23. Tendo os animais idade e peso semelhantes, optou-se pela não-normalização da variável peso do músculo esquelético.
O fígado foi retirado antes da realização da punção cardíaca e, imediatamente, fixado em solução de formaldeído a 10%. Após a inclusão do material em parafina, lâminas histológicas foram confeccionadas utilizando a coloração com hematoxilina e eosina (HE). A análise histopatológica foi realizada por microscopia óptica (Nikon E800, Nikon USA, Melville, NY, EUA).
Os dados foram expressos em média ± erro padrão (EPM), e a comparação entre os grupos foi realizada pelo teste estatístico de análise de variância (
Após 4 semanas, observou-se hiperglicemia nos animais tratados, diariamente, com Dex quando comparados ao grupo-controle (181,25 ± 12 mg/dl
O tratamento com Dex alterou a resposta glicêmica ao TOTG. Nos animais sedentários, verificou-se maior glicemia em 30, 60 e 120 minutos quando comparados ao grupo-controle, o que representa menor tolerância a glicose. Já os animais treinados concomitantemente ao tratamento com Dex apresentaram uma resposta glicêmica semelhante à do grupo controle. O treinamento físico não teve efeito na tolerância à glicose, nos animais que não foram tratados com Dex. Os dados do TOTG estão apresentados na
A administração crônica de Dex induziu dislipidemia caracterizada por hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia e diminuição sérica do HDL-c quando comparado ao grupo controle. Também se verificou aumento na concentração de LDL-c e VLDL-c nos animais sedentários tratados com GC.
O exercício físico foi eficaz em prevenir a hipercolesterolemia (CT, LDL-c e VLDL-c) e a hipertrigliceridemia induzida por administração crônica de Dex. Entretanto, o treinamento físico não teve efeito significativo na concentração sanguínea de HDL-c (p > 0,05). Por outro lado, o exercício físico diminuiu a concentração de TG e VLDL-c nos animais que não foram tratados com GC.
Paralelamente à melhora no quadro de dislipidemia, os animais tratados e treinados apresentaram maior perda de peso corporal em relação aos controles e aos animais sedentários tratados. O treinamento físico também reduziu o peso corporal nos animais que não receberam tratamento. Nos animais sedentários e tratados, foi observado ganho de peso após 7 dias de tratamento e, em seguida, verificou-se redução progressiva dessa variável. Os valores de colesterol total e lipoproteínas no sangue estão apresentados na
Os animais tratados com Dex apresentaram menor peso do músculo gatrocnêmio quando comparados ao grupo controle (0,8 ± 0,07 g
Nos animais sedentários que foram tratados com GC, a análise histopatológica mostrou a presença de vacuolização lipídica nos hepatócitos, o que caracteriza, morfologicamente, o quadro de fígado gorduroso não-alcoólico (esteatose hepática). O treinamento físico preveniu essa alteração hepática. A análise histopatológica hepática está representada na
Os animais sedentários e submetidos ao tratamento crônico com Dex apresentaram maiores índices de risco cardiometabólico em comparação aos controles. Verificou-se aumento nos índices de Castelli I e II, e na razão TG/HDL-c. Já os animais tratados e treinados apresentaram menores valores em todos esses índices, quando comparados aos animais sedentários. Os dados referentes ao efeito do glicocorticóide e do exercício físico sobre os índices de risco cardiometabólico estão apresentados na
A dexametasona (Dex) tem sido bastante utilizada como modelo experimental para o estudo da síndrome metabólica em razão de um dos seus principais efeitos adversos: a resistência a insulina7. Segundo alguns autores1,7, ratos tratados com Dex, apresentam diminuição na captação de glicose estimulada por insulina no músculo esquelético e no tecido adiposo, ao passo que no fígado há uma reversão da supressão da gliconeogênese. No tecido adiposo, observa-se um efeito permissivo à ação de hormônios lipolíticos (adrenalina, noradrenalina e hormônio do crescimento), resultando no aumento da hidrólise de triglicerídeos, liberação de ácidos graxos para o sangue (substâncias indutoras de estresse oxidativo e disfunção endotelial) e de glicerol para gliconeogênese hepática1,7,24. A resistência periférica à insulina e o aumento na gliconeogênese mediados por GCs causam hiperglicemia persistente, diabetes, dislipidemia e hipertensão arterial decorrente da disfunção endotelial7.
No presente estudo, a administração crônica de Dex em ratos resultou em hiperglicemia, diminuição da tolerância à glicose, hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia e redução da concentração sérica de HDL-c, e induziu esteatose hepática e hipotrofia muscular. Os índices de risco cardiometabólico também foram maiores nesses animais quando comparados ao grupo controle. Os dados do presente estudo estão em concordância com aqueles descritos por Severino e cols.7. A principal contribuição do presente estudo foi demonstrar que as alterações cardiometabólicas induzidas pelo uso crônico de GC podem ser reduzidas e/ou prevenidas pela prática regular de exercício físico aeróbio. No presente estudo, o exercício aeróbio diminuiu a hiperglicemia, preveniu a hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia, a esteatose hepática e a hipotrofia muscular em ratos tratados, cronicamente, com Dex. Nesses animais, os índices de risco cardiometabólico também foram menores. Entretanto, o exercício não teve efeito na concentração sérica de HDL-c.
No tecido muscular, os GCs diminuem a captação de glicose estimulada por insulina7,14,25. No músculo esquelético de ratos tratados com Dex, há inibição da fosfatidilinositol-3-quinase (PI3-quinase)25. A PI3-quinase está envolvida no mecanismo de ativação da translocação da isoforma 4 do transportador de glicose (GLUT-4) para o sarcolema após estímulo insulínico, principalmente no período pós-prandial25,26. O tratamento com GC também diminui a síntese de glicogênio no músculo esquelético1,25,26.
A contração é um potente estímulo capaz de aumentar a captação de glicose sanguínea no músculo esquelético12. A contração muscular ativa a translocação de GLUT-4 para o sarcolema por uma via de sinalização independente da ativação da PI3-quinase, ou seja, através de uma cascata de transdução de sinais que independe do estímulo da insulina da sinalização insulínica25. Ruzzin e Jensen25 demonstraram que o aumento na captação de glicose mediado por contração no músculo esquelético está preservado em ratos tratados cronicamente com Dex, ao passo que a captação induzida por insulina está prejudicada. Alguns autores13,14,25,27 demonstraram que a sensibilidade à insulina no músculo esquelético também aumenta após o exercício físico. Segundo Howlett e cols.27, a contração muscular aumenta a fosforilação estimulada por insulina do substrato do receptor de insulina tipo 2 (IRS-2), uma via alternativa na sinalização insulínica. Também há maior fosforilação em serina da proteína quinase B (PKB ou AKT), importante para ativação da translocação de GLUT-4 para o sarcolema28.
Além de aumentar a translocação de transportadores de glicose para o sarcolema, a contração também aumenta a expressão gênica e conteúdo de GLUT-4 no músculo esquelético29. Sendo assim, o músculo esquelético treinado capta mais glicose devido a uma maior expressão gênica e maior conteúdo de GLUT-4 no sarcolema, e através do aumento na sensibilidade à insulina.
O exercício é um recurso não-farmacológico eficaz no tratamento da resistência a insulina e promoção do controle glicêmico em animais com resistência à insulina induzida por obesidade29. As evidências geradas pelo presente estudo fortalecem a indicação do exercício aeróbio como tratamento para a resistência à insulina induzida por GCs. Até então nenhum estudo havia demonstrado esse efeito, o qual apresenta extrema relevância clínica.
Além da resistência à insulina em tecidos periféricos, o aumento da gliconeogênese hepática e o aumento da mobilização sanguínea de aminoácidos musculares possuem um papel importante na hiperglicemia decorrente do uso crônico de GCs1. A estimulação da síntese de proteínas musculares pode favorecer o controle glicêmico através da redução da liberação de aminoácidos para gliconeogênese hepática. Segundo LaPier23, o exercício de
No presente estudo, o exercício aeróbio também reduziu a dislipidemia secundária induzida por uso crônico de GC. O aumento na oxidação de ácidos graxos durante o exercício aeróbio é bem demonstrado. Durante contrações no músculo esquelético, o aumento na concentração de monofosfato de adenosina (AMP) e a diminuição na concentração de creatina fosfato levam à ativação da proteína quinase ativada por AMP (AMP-quinase)12. A AMP-quinase fosforila e inibe a acetil-CoA-carboxilase e, consequentemente, reduz a concentração de malonil-CoA, inibidor alostérico da carnitina palmitoil transferase (CPT-1)12. Isso aumenta a oxidação mitocondrial de ácidos graxos de cadeia longa12,15. O treinamento físico também promove biogênese mitocondrial e aumenta a expressão de transportadores e enzimas reguladoras da oxidação de ácidos graxos no músculo esquelético15. No presente modelo experimental, o exercício físico reduziu a dislipidemia e o acúmulo de lipídeos no fígado. Resultados semelhantes foram observados por Severino e cols.7 em resposta ao tratamento com metformina (droga potencialmente ativadora da AMP-quinase) em ratos tratados, cronicamente, com Dex.
Alterações no metabolismo de lipídeos são acompanhadas por alterações no peso corporal. Clinicamente, observa-se ganho de peso em pacientes com síndrome de Cushing e naqueles submetidos ao tratamento crônico com GC1,6,8. Isso se deve ao efeito estimulante dos GCs no centro hipotalâmico de regulação do apetite1. Diferentemente do que é visto em humanos, em modelos animais há uma redução do peso corporal. Assim como no presente estudo, Severino e cols.7 também demonstraram redução do peso corporal em ratos tratados com Dex. Isso, provavelmente, se deve à intensa lipólise decorrente da resistência à insulina no tecido adiposo e do efeito permissivo dos GCs sobre a ação lipolítica da adrenalina e da noradrenalina1. Por sua vez, a menor captação de glicose decorrente da resistência à insulina no músculo esquelético poderia estimular uma preferência pela oxidação de ácidos graxos nesse tecido30. Venkatesan e cols.30 demonstraram que a administração de
A melhora no metabolismo de lipídeos em resposta ao treinamento físico é acompanhada por redução no peso corporal. Nos animais tratados com Dex e treinados, houve maior perda de peso quando comparados aos sedentários. Tal fato pode ser atribuído ao aumento no potencial de oxidação de ácidos graxos no músculo dos animais treinados e também ao efeito permissivo dos GC sobre a ação lipolítica da adrenalina e da noradrenalina, cujas concentrações plasmáticas estão elevadas durante o exercício físico1. A oxidação de ácidos graxos durante o exercício depende da biodisponibilidade desses substratos no sangue, da atividade da AMP-quinase e do conteúdo de transportadores e enzimas envolvidas na oxidação desses lipídeos no músculo esquelético31,33.
Por fim, o exercício físico também poderia ter um efeito benéfico no controle da hipertensão arterial induzida por GC. Embora esse parâmetro não tenha sido avaliado no presente trabalho, acredita-se que o treinamento físico possa ter influenciado, positivamente, o controle da pressão arterial nos animais tratados com Dex. A Dex não possui ação mineralocorticóide significante, mas apresenta efeito hipertensivo7. Acredita-se que a Dex reduza a expressão da óxido nítrico sintase (NOS) e prejudique a vasodilatação endotélio-dependente7. Isso ocorreria por causa do aumento na concentração de ácidos graxos livres no sangue, da indução de estresse oxidativo e da resistência à insulina7. Severino e cols.7 demonstraram que ratos tratados com doses baixas de Dex desenvolvem hipertensão arterial, e esta é precedida por resistência à insulina e dislipidemia. Tal fato sugere que a resistência à insulina seja um evento que antecede o desenvolvimento de hipertensão em animais tratados com Dex. Dessa maneira, o exercício melhora o quadro de resistência à insulina e poderia repercutir no controle da pressão arterial, por reduzir a disfunção endotelial e o estresse oxidativo16,34.
O presente estudo demonstrou que a prática regular de exercício físico aeróbio diminui a hiperglicemia, melhora a tolerância à glicose, reduz a dislipidemia secundária e prevene o fígado gorduroso não-alcoólico e a hipotrofia muscular em ratos tratados, cronicamente, com glicocorticóide. Apesar de não ter sido observado nenhum efeito do treinamento físico na concentração sanguínea de HDL-c, acredita-se que outros protocolos possam demonstrar, nesse modelo experimental, o já conhecido efeito da atividade física no metabolismo dessa lipoproteína. Os dados apresentados pelo presente estudo sugerem a indicação do exercício físico como medida de prevenção e tratamento das alterações cardiometabólicas induzidas pelo uso crônico de glicocorticóide.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.
Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.
Correspondência: Carlos Hermano da Justa Pinheiro Av. Prof. Lineu Prestes 1524, Butantã 05508-900 - São Paulo, SP - Brasil Email:
Artigo recebido em 01/04/08; revisado recebido em 03/08/08; aceito em 08/08/08
FUNDAMENTO: Crónicamente, los glucocorticoides inducen alteraciones cardiometabólicas adversas, incluyendo resistencia a la insulina, diabetes, dislipidemia, esteatosis hepática e hipertensión arterial. OBJETIVOS: Evaluar el efecto de la práctica regular de ejercicio físico aeróbico sobre las alteraciones cardiometabólicas inducidas por administración crónica de dexametasona (Dex - 0,5 mg/kg/día i.p) en ratones. MÉTODOS: Se dividieron ratones Wistar machos (n = 24) en cuatro grupos: Grupo control; Grupo entrenado; Grupo tratado con Dex y Grupo tratado con Dex y entrenado. El entrenamiento físico (iniciado 72 horas después de la primera dosis de Dex) se realizó 3 veces por semana, hasta el final del tratamiento. Al final de ese período, se realizaron las siguientes evaluaciones bioquímicas: glicemia en ayunas, test de tolerancia a la glucosa y análisis del perfil lipídico en sangre que incluyó colesterol total (CT), LDL-c, HDL-c, VLDL-c y triglicéridos (TG). También se evaluaron, el peso del músculo gastrocnemio, análisis histopatológico del hígado y los índices cardiometabólicos (CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c y TG/HDL-c). RESULTADOS: Se observó hiperglicemia, menor tolerancia a la glucosa, elevación de CT, LDL-c, VLDL-c y TG, disminución del HDL-c, presencia de esteatosis hepática, hipotrofia muscular y elevación de los índices CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c y TG/HDL-c en los animales tratados con Dex. El ejercicio físico redujo la hiperglicemia, mejoró la tolerancia a la glucosa, redujo la dislipidemia y previno la esteatosis hepática, la hipotrofia muscular y redujo los índices CT/HDL-c, LDL-c/ HDL-c ye TG/HDL-c. Con todo, no hubo efecto significativo del entrenamiento físico sobre el HDL-c. CONCLUSIÓN: El ejercicio físico aeróbico tiene efecto protector con las alteraciones cardiometabólicas inducidas por el uso crónico de glucocorticoides.
IDepartamento de Fisioterapia, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza
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IIIDepartamento de Ciências da Nutrição, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza
IVFaculdade de Medicina, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, Fortaleza, CE, Brasil
Correspondência
Los glucocorticoides (GCs) son corticosteroides, sustancias derivadas del colesterol, sintetizados y secretados por las glándulas adrenales1. Los GCs son hormonas que actúan en el control transcripcional de genes involucrados en la regulación de funciones metabólicas, cardiovasculares e inmunológicas1. Este efecto se procesa a través del receptor nuclear de glucocorticoide (GR), que es activado, transitoriamente, sólo después de la exposición de las células a los GCs1,2.
El término "glucocorticoide" se debe a la acción de estas sustancias en el metabolismo de carbohidratos. En el músculo esquelético, los GCs causan resistencia a la insulina, lo que resulta en menor captación de glucosa y reducción de la síntesis del glucógeno muscular1. En este tejido, también se verifica inhibición de la síntesis proteica y aumento en el catabolismo de proteínas que resultan en hipotrofia muscular1. Los aminoácidos movilizados, a partir del tejido muscular, se utilizan en la gluconeogénesis hepatica1. La resistencia a la insulina y el aumento en la gluconeogénesis, conjuntamente, resultan en la hiperglicemia1.
En la década de 50, el descubrimiento del potente efecto antiinflamatorio de los GCs llevó a su prescripción en el tratamiento de enfermedades reumáticas crónicas3. Actualmente, los GCs sintéticos son bastante utilizados en el tratamiento de enfermedades autoinmunes y en la prevención del rechazo alográfico4,5. No obstante, el uso crónico de GCs está asociado a varios efectos cardiometabólicos adversos6,7. Así como en el síndrome de Cushing, causado por niveles elevados de cortisol en sangre, el uso crónico de GCs induce resistencia a la insulina, diabetes, dislipidemia e hipertensión anterial8. Si no se trata, el síndrome de Cushing puede resultar en óbito por enfermedad cardiovascular6,8.
Los GCs tendrían un rol en la fisiopatología del síndrome metabólico o plurimetabólico. Recientemente, se demostró que una elevada expresión génica de GR en el músculo esquelético está asociada a una menor sensibilidad a la insulina9. A su vez, la 11-beta-hidroxiesteroide deshidrogenasa, que convierte cortisona (GC inactivo) en cortisol (GC, biológicamente, activo), también ha sido implicada en el desarrollo de la obesidad, en la resistencia a la insulina y en la diabetes tipo II10. Ratones tratados crónicamente con dexametasona (un GC sintético) se utilizaron en un estudio experimental del síndrome metabólico. Estos animales desarrollaron resistencia a la insulina, hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia, hígado graso no alcohólico (esteatosis hepática), disfunción endotelial e hipertensión arterial7. Directrices clínicas sobre el tratamiento y la prevención de la aterosclerosis11 reconocen el riesgo cardiometabólico causado por el uso crónico de GCs y estimulan cambios en el estilo de vida como estrategia de promoción de la salud cardiovascular.
La actividad física regular es un recurso importante no farmacológico en la administración del riesgo cardiometabólico11. En el músculo esquelético, el ejercicio físico aumenta la captación y oxidación de glucosa y ácidos grasos a partir de la sangre12,13, mejora la señalización insulínica13,14, aumenta la actividad y expresión de transportadores y enzimas reguladoras del metabolismo de glucosa y ácidos grasos14,15, promueve biogénesis mitocondrial12 y mejora la vasodilatación endotelio-dependiente16.
Con todo, evidencias científicas sobre el efecto del ejercicio físico en las alteraciones cardiometabólicas derivadas del uso crónico de GCs todavía son escasas en la bibliografía. En el presente estudio se investigó el impacto del ejercicio físico aeróbico sobre parámetros cardiometabólicos en ratones tratados, crónicamente, con glucocorticoide.
El presente trabajo fue aprobado por la Comisión de Ética en Investigación Animal (CEPA, por su sigla en portugués) de la Facultad de Medicina de la Universidad Federal de Ceará. Todos los animales recibieron cuidados humanísticos de conformidad con los Principios Éticos del Colegio Brasileño de Experimentación Animal (COBEA, por su sigla en portugués) y según las reglas del The Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (Institute of Laboratory Animal Resources, National Academy of Sciences, Washington, D. C. 1996).
Se utilizaron ratones albinos de la estirpe Wistar (Rattus norvegicus alvinus, Rodentia, Mammalia), machos, con 5 meses de edad y peso entre 230 y 250 g. Los animales fueron alimentados con ración estándar para roedores (Purina®, Cargill Incorporated, Monsanto do Brasil Ltda) y agua ad libitum. Fueron instalados en un número de 3 por jaula, mantenidos en ciclo claro-oscuro de 12-12 horas, y temperatura ambiente de 23 ± 2 ºC.
Los animales (n = 24) se distribuyeron, aleatoriamente, en 4 grupos: Grupo control (constituido por ratones sedentarios y no tratados con GC; n = 6); Grupo entrenado (constituido por ratones sometidos sólo al entrenamiento físico; n = 6); 3. Grupo tratado (constituido por ratones sedentarios y tratados con GC; n = 6); 4. Grupo tratado y entrenado (compuesto por ratones tratados con GC y sometidos al entrenamiento físico; n = 6).
Al final del estudio se realizaron los siguientes análisis bioquímicos en sangre: glicemia en ayunas, test oral de tolerancia a la glucosa (TOTG), concentración sérica de colesterol total (CT), concentración sérica de lipoproteína de baja densidad colesterol (LDL-c), concentración sérica de lipoproteína de alta densidad colesterol (HDL-c), concentración sérica de lipoproteína de muy baja densidad colesterol (VLDL-c) y concentración sérica de triglicéridos (TG). Al final del estudio, se determinó el peso del músculo gastrocnemio y el hígado se utilizó para la confección de láminas y posterior análisis histopatológico.
También se evaluaron los siguientes índices cardiometabólicos: índices aterogénicos de Castelli I (CT/HDL-c) y II (LDL-c/HDL-c), y el cociente TG/HDL-c. Los índices de Castelli se utilizan para el análisis de riesgo coronario en la presencia de factores de riesgo cardiovascular17. Ya el cociente TG/HDL-c se asocia al riesgo cardiovascular dado por la resistencia a la insulina18.
Los animales se trataron con dexametasona (Dex - 0,5 mg/kg/día i.p.) (Decadron®, Prodome, Brasil), durante 1 mes, y siempre en el mismo horario. Esta dosis causa resistencia a la insulina en 7 días 19.
Previamente, se realizó una prueba de esfuerzo progresivo en los animales sometidos al entrenamiento físico. Para ello se utilizó una unidad Rota Rod Treadmill (modelo 7700 de Ugo Basile®, Milán, Italia). Después del período de adaptación al equipo sugerido por el fabricante, se aplicó un protocolo personalizado cuya velocidad inicial fue de 3 rotaciones por minuto (rpm), con incrementos de 3 rpm cada 3 minutos (
El entrenamiento físico se realizó 3 veces por semana, siempre en el mismo horario (19h) y se extendió hasta el final del tratamiento con Dex. La intensidad del ejercicio fue del 60% de la velocidad máxima alcanzada por los animales en la prueba de esfuerzo, siendo el protocolo de entrenamiento considerado como de intensidad moderada. Antes de alcanzar la velocidad de entrenamiento, los animales fueron sometidos a calentamiento en velocidad baja (2 rpm), durante 6 minutos. El ejercicio tuvo una duración de 60 minutos, y la primera sesión se realizó 72 horas después de la primera dosis de Dex.
El peso de los animales se acompañó por medio de medidas semanales, siendo la primera realizada antes de la primera dosis de Dex.
Determinación de la glicemia sanguínea y test oral de tolerancia a la glucosa (TOTG)
Después de las 72 horas de la última sesión de ejercicio, los animales se mantuvieron en ayuno de 12 horas. A continuación, fueron anestesiados con pentobarbital sódico (40 mg/kg i.p.; Nembutal®, Abbot Laboratories, Abbot Park, Illinois, EEUU). Se realizó una incisión quirúrgica en la pata trasera de los animales, y a seguir, se localizó la vena femoral. Se extrajo una alícuota de sangre (300 µl) para determinación de la glicemia sanguínea utilizando un medidor de glucosa digital (Accu-Chek Active®; Roche Diagnostic System, Branchburg, NJ, EEUU). El TOTG se realizó después de la administración oral de glucosa (1 g/kg peso corporal) por sonda. Se extrajeron nuevas alícuotas de sangre después de 30, 60 y 120 minutos.
Las concentraciones de lípidos séricos se determinaron por espectrofotometría y conforme las orientaciones y recomendaciones del National Cholesterol Education Program (NCEP)21. Los animales, mantenidos en ayunas, fueron eutanasiados por dislocación cervical, e inmediatamente se realizó una punción cardíaca para extracción de sangre y almacenamiento de las muestras en hielo. El suero se obtuvo tras centrifugación a 2.500 rpm, por 20 minutos, a 4°C. Los análisis bioquímicos se realizaron por medio de espectrofotometría. Para la determinación de la concentración de CT, se utilizó una longitud de onda de 500 nm e instrucciones por el fabricante (Kit Colesterol Liquiform, Labtest Diagnóstica, Lagoa Santa, MG, Brasil). La concentración de TG se determinó utilizando el kit Triglicéridos Liquiform (Labtest Diagnóstica, Lagoa Santa, MG, Brasil) y longitud de onda de 510 nm. Ya para la determinación de la concentración de HDL-c, se utilizaron el kit HDL LE (Labtest Diagnóstica, Lagoa Santa, MG, Brasil) y longitud de onda de 600 nm. Las concentraciones de LDL-c y VLDL-c se calcularon por la ecuación de Friedewald22.
Ecuación de Friedewald = [LDL-C = CT - ( HDL-C + TG/5 )]
Después de la eutanasia, se retiró quirúrgicamente el músculo gastrocnemio, con preservación de las dos inserciones proximales y de la distal. El peso del músculo esquelético se determinó utilizando una balanza de precisión (modelo 750 SW - Ohaus Corp., Pine Brook, NJ, EEUU). Se seleccionó el gastrocnemio para el estudio del efecto de la Dex sobre el metabolismo proteico, por presentar una gran proporción de fibras de contracción rápida, una vez que esas fibras son más susceptibles a la acción catabólica de los GCs23. Como los animales tenían edad y pesos similares, se optó por la no normalización de la variable peso del músculo esquelético.
El hígado se retiró antes de realizar la punción cardíaca e, inmediatamente, se colocó en solución de formaldehído al 10%. Después de la inclusión del material en parafina, se confeccionaron láminas histológicas utilizando coloración con hematoxilina y eosina (HE). El análisis histopatológico se realizó por microscopía óptica (Nikon E800, Nikon USA, Melville, NY, EEUU).
Los datos se expresaron en promedio ± error estándar (SEM), y la comparación entre los grupos se realizó mediante el test estadístico de análisis de varianza (one-way ANOVA) combinado al post-test de Tukey-Kramer. Se consideraron significativos los valores de p < 0,05.
Ejercicio físico reduce la hiperglicemia y mejora la tolerancia a la glucosa en ratones tratados con glucocorticoide
Después de 4 semanas, se observó hiperglicemia en los animales tratados, diariamente, con Dex al compararlos con el grupo control (181,25 ± 12 mg/dl vs. 85 ± 10 mg/dl; p < 0,05). El entrenamiento físico redujo este aumento en la glicemia en aproximadamente un 47%. Entre los animales que recibieron el tratamiento con GC, la glicemia fue menor en los entrenados que en los sedentarios (140,67 ± 10 mg/dl vs. 181,25 ± 12 mg/dl; p < 0,05). No obstante, el protocolo de entrenamiento utilizado no fue eficaz para prevenir el aumento en la glicemia con relación a los controles (140,67 ± 10 mg/dl vs. 85 ± 10 mg/dl; p < 0,05). No hubo efecto del entrenamiento físico en la glicemia de animales que fueron tratados con Dex. La glicemia sanguínea en ayunas de los grupos estudiados está representada en la
El tratamiento con Dex alteró la respuesta glucémica al TOTG. En los animales sedentarios, se verificó mayor glicemia en 30, 60 y 120 minutos cuando se los compara al grupo de control, lo que representa menor tolerancia a la glucosa. Ya los animales entrenados concomitantemente al tratamiento con Dex presentaron una respuesta glucémica similar a la del grupo de control. El entrenamiento físico no tuvo efecto en la tolerancia a la glucosa, en los animales que no fueron tratados con Dex. Los datos del TOTG se presentan en la
La administración crónica de Dex indujo dislipidemia caracterizada por hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia y disminución sérica del HDL-c cuando se lo compara al grupo control. También se verificó aumento en la concentración de LDL-c y VLDL-c en los animales sedentarios tratados con GC.
El ejercicio físico fue eficaz en prevenir la hipercolesterolemia (CT, LDL-c y VLDL-c) y la hipertrigliceridemia inducida por administración crónica de Dex. Con todo, el entrenamiento físico no tuvo efecto significativo en la concentración sanguínea de HDL-c (p > 0,05). Por otro lado, el ejercicio físico disminuyó la concentración de TG y VLDL-c en los animales que no fueron tratados con GC.
Paralelamente a la mejora en el cuadro de dislipidemia, los animales tratados y entrenados presentaron mayor pérdida de peso corporal con relación a los controles y a los animales sedentarios tratados. El entrenamiento físico también redujo el peso corporal en los animales que no recibieron tratamiento. En los animales sedentarios y tratados, se observó ganancia de peso después de 7 días de tratamiento y, a seguir, se observó reducción progresiva de esa variable. Los valores de colesterol total y lipoproteínas en sangre se presentan en la
Los animales tratados con Dex presentaron mejor peso del músculo gastrocnemio cuando se los compara al grupo control (0,8 ± 0,07 g vs. 1,23 ± 0,03 g, p < 0,05). El entrenamiento físico previno la hipotrofia muscular en los animales tratados crónicamente con GC. Los animales tratados y sometidos al entrenamiento físico no presentaron diferencia significativa en el peso del gastrocnemio cuando se los compara al grupo control (1,25 ± 0,03 g vs. 1,23 ± 0,03 g, p > 0,05). Cuando se lo compara al grupo control, el peso del músculo gastrocnemio también fue mayor en los animales entrenados que no fueron tratados con Dex (1,53 ± 0,06 g vs. 1,23 ± 0,03 g, p < 0,05).
En los animales sedentarios que fueron tratados con GC, el análisis histopatológico mostró presencia de vacuolización lipídica en los hepatocitos, lo que caracteriza morfológicamente, el cuadro de hígado graso no alcohólico (esteatosis hepática). El entrenamiento físico previno esta alteración hepática. El análisis histopatológico hepático está representado en la
Los animales sedentarios y sometidos al tratamiento crónico con Dex presentaron mayores índices de riesgo cardiometabólico en comparación con los controles. Se verificó aumentos en los índices de Castelli I y II, y en el cociente TG/HDL-c. Ya los animales tratados y entrenados presentaron menores valores en todos esos índices, cuando se los compara a los animales sedentarios. Los datos referentes al efecto del glucocorticoide y del ejercicio físico sobre los índices de riesgo cardiometabólico se presentan en la
La dexametasona (Dex) ha sido bastante utilizada como modelo experimental para el estudio del síndrome metabólico en razón de uno de sus principales efectos adversos: la resistencia a la insulina7. Según algunos autores1,7, ratones tratados con Dex, presentan disminución en la captación de glucosa estimulada por insulina en el músculo esquelético y en el tejido adiposo, al tiempo que en el hígado hay una reversión de la supresión de la gluconeogénesis. En el tejido adiposo, se observa un efecto permisivo a la acción de hormonas lipolíticas (adrenalina, noradrenalina y hormona del crecimiento), resultando en el aumento de la hidrólisis de triglicéridos, liberación de ácidos grasos para la sangre (sustancias inductoras de estrés oxidativo y disfunción endotelial) y de glicerol para gluconeogénesis hepática1,7,24. La resistencia periférica a la insulina y el aumento en la gluconeogénesis mediados por GCs causan hiperglicemia persistente, diabetes, dislipidemia e hipertensión arterial derivada de la disfunción endotelial7.
En el presente estudio, la administración crónica de Dex en ratones resultó en hiperglicemia, disminución de la tolerancia a la glucosa, hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia y reducción de la concentración sérica de HDL-c, e indujo esteatosis hepática e hipotrofia muscular. Los índices de riesgo cardiometabólico también fueron mayores en esos animales cuando se los compara al grupo control. Los datos del presente estudio están de acuerdo con aquellos descritos por Severino et al7. La principal contribución del presente estudio fue demostrar que las alteraciones cardiometabólicas inducidas por el uso crónico de GC pueden ser reducidas y/o prevenidas por la práctica regular de ejercicio físico aeróbico. En el presente estudio, el ejercicio aeróbico disminuyó la hiperglicemia, previno la hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia, la esteatosis hepática y la hipotrofia muscular en ratones tratados, crónicamente, con Dex. En esos animales, los índices de riesgo cardiometabólico también fueron menores. No obstante, el ejercicio no tuvo efecto en la concentración sérica de HDL-c.
En el tejido muscular, los GCs disminuyen la captación de glucosa estimulada por insulina7,14,25. En el músculo esquelético de ratones tratados con Dex, hay inhibición de la fosfatidilinositol-3-quinasa (PI3-quinasa)25. La PI3-quinasa está involucrada en el mecanismo de activación de la translocación de la isoforma 4 del transportador de glucosa (GLUT-4) para el sarcolema después del estímulo insulínico, principalmente en el período postprandial25,26. El tratamiento con GC también disminuyó la síntesis de glucógeno en el músculo esquelético1,25,26.
La contracción es un potente estímulo capaz de aumentar la captación de glucosa sanguínea en el músculo esquelético12. La contracción muscular activa la translocación de GLUT-4 para el sarcolema por una vía de señalización independiente de la activación de la PI3-quinasa, o sea, a través de una cascada de transducción de señales que es independiente del estímulo de la insulina en la señalización insulínica25. Ruzzin y Jensen25 demostraron que el aumento en la captación de glucosa mediado por contracción en el músculo esquelético está preservado en ratones tratados crónicamente con Dex, mientras que la captación inducida por insulina se ve perjudicada. Algunos autores13,14,25,27 demostraron que la sensibilidad a la insulina en el músculo esquelético también aumenta después del ejercicio físico. De acuerdo con Howlett et al.27, la contracción muscular aumenta la fosforilación estimulada por insulina del sustrato del receptor de insulina tipo 2 (IRS-2), una vía alternativa en la señalización insulínica. También hay mayor fosforilación en serina de la proteína quinasa B (PKB o AKT), importante para activación de la translocación de GLUT-4 para el sarcolema28.
Además de aumentar la translocación de transportadores de glucosa para el sarcolema, la contracción también aumenta la expresión génica y contenido de GLUT-4 en el músculo esquelético29. Siendo así, el músculo esquelético entrenado capta más glucosa debido a una mayor expresión génica y mayor contenido de GLUT-4 en el sarcolema, y a través del aumento en la sensibilidad a la insulina.
El ejercicio es un recurso no farmacológico eficaz en el tratamiento de la resistencia a insulina y promoción del control glucémico en animales con resistencia a la insulina inducida por obesidad29. Las evidencias generadas por el presente estudio fortalecen la indicación del ejercicio aeróbico como tratamiento para la resistencia a la insulina inducida por GCs. Hasta entonces ningún estudio había mostrado este efecto, lo cual presenta suma relevancia clínica.
Además de la resistencia a la insulina en tejidos periféricos, el aumento de la gluconeogénesis hepática y el aumento de la movilización sanguínea de aminoácidos musculares tienen un papel importante en la hiperglicemia derivada del uso crónico de GCs1. La estimulación de la síntesis de proteínas musculares puede favorecer el control glucémico mediante la reducción de la liberación de aminoácidos para gluconeogénesis hepática. De acuerdo con LaPier23, el ejercicio de endurance es un recurso efectivo en la prevención de la hipotrofia muscular inducida por GCs. El modelo de entrenamiento físico utilizado en el presente estudio está caracterizado por ser un ejercicio de fuerza y resistencia aeróbica, ya que los animales se ejercitaban durante 60 minutos, a velocidad constante, y necesitaban vencer la fuerza de la gravedad para mantenerse en el equipo. Se demostró que el entrenamiento físico previno la hipotrofia muscular y mejoró el control glucémico en animales tratados crónicamente con Dex.
En el presente estudio, el ejercicio aeróbico también redujo la dislipidemia secundaria inducida por uso crónico de GC. Se demostró también el aumento en la oxidación de ácidos grasos durante el ejercicio aeróbico. Durante contracciones en el músculo esquelético, el aumento en la concentración de monofosfato de adenosina (AMP) y la disminución en la concentración de creatina fosfato llevan a la activación de la proteína quinasa activada por AMP (AMP-quinasa)12. La AMP-quinasa fosforila e inhibe la acetil-CoA-caboxilasa, y por consiguiente, reduce la concentración de malonil-CoA, inhibidor alostérico de la carnitina palmitoil transferasa (CPT-1)12. Esto aumenta la oxidación mitocondrial de ácidos grasos de cadena larga12,15. El entrenamiento físico también promueve la biogénesis mitocondrial y aumenta la expresión de transportadores y enzimas reguladoras de la oxidación de ácidos grasos en el músculo esquelético15. En el presente modelo experimental, el ejercicio físico redujo la dislipidemia y la acumulación de lípidos en el hígado. Resultados similares fueron observados por Severino et al.7 en respuesta al tratamiento con metformina (droga potencialmente activadora de la AMP-quinasa) en ratones tratados crónicamente con Dex.
Alteraciones en el metabolismo de lípidos están acompañadas de alteraciones en el peso corporal. Clínicamente, se observa ganancia de peso en pacientes con síndrome de Cushing y en aquellos sometidos a tratamiento crónico con GC1,6,8. Ello se debe al efecto estimulantes de los GCs en el centro hipotalámico de regulación del apetito1. A diferencia de lo visto en humanos, en modelos animales hay una reducción del peso corporal. Así como en el presente estudio, Severino et al.7 también demostraron reducción del peso corporal en ratones tratados con Dex. Esto probablemente se debe a la intensa lipólisis derivada de la resistencia a la insulina en el tejido adiposo y del efecto permisivo de los GCs sobre la acción lipolítica de la adrenalina y la noradrenalina. A su vez, la menor captación de glucosa derivada de la resistencia a la insulina en el músculo esquelético podría estimular una preferencia por la oxidación de ácidos grasos en ese tejido30. Venkatesan et al.30 demostraron que la administración de etomoxir, inhibidor de la CPT-1, inhibe la oxidación de ácidos grasos en el músculo esquelético, con el consiguiente aumento en la concentración de ácidos grasos libres en sangre, y disminuye la hiperglicemia y la hiperinsulinemia en ratones tratados con Dex. De esa manera, el aumento en la biodisponibilidad de ácidos grasos en sangre derivada del aumento en la lipólisis estimula la oxidación de esos sustratos energéticos en el músculo esquelético30-32.
La mejora en el metabolismo de lípidos en respuesta al entrenamiento físico se ve acompañada de una reducción en el peso corporal. En los animales tratados con Dex y entrenados, hubo una mayor pérdida de peso al compararlos con los sedentarios. Tal hecho puede atribuirse al aumento en el potencial de oxidación de ácidos grasos en el músculo de los animales entrenados y también al efecto permisivo de los GC sobre la acción lipolítica de la adrenalina y la noradrenalina, cuyas concentraciones plasmáticas están elevadas durante el ejercicio físico1. La oxidación de ácidos grasos durante el ejercicio depende de la biodisponibilidad de esos sustratos en sangre, de la actividad de la AMP-quinasa y del contenido de transportadores y enzimas involucradas en la oxidación de esos lípidos en el músculo esquelético31,33.
Finalmente, el ejercicio físico también podría tener un efecto benéfico en el control de la hipertensión arterial inducida por GC. Aunque este parámetro no haya sido evaluado en el presente trabajo, se cree que el entrenamiento físico pueda haber influido positivamente en el control de la presión arterial en los animales tratados con Dex. La Dex no tiene acción mineralcorticoide significativa, pero presenta efecto hipertensivo7. Se cree que la Dex reduzca la expresión de la óxido nítrico sintasa (NOS) y perjudique la vasodilatación endotelio dependiente7. Esto sucedería por causa del aumento en la concentración de ácidos grasos libres en sangre, de la inducción de estrés oxidativo y de la resistencia a la insulina7. Severino et al.7 demostraron que ratones tratados con dosis bajas de Dex desarrollaron hipertensión arterial, y ésta está precedida por resistencia a la insulina y dislipidemia. Tal hecho sugiere que la resistencia a la insulina sea un evento que antecede el desarrollo de hipertensión en animales tratados con Dex. De esta manera, el ejercicio mejora el cuadro de resistencia a la insulina y podría repercutir en el control de la presión arterial, por reducir la disfunción endotelial y el estrés oxidativo16,34.
El presente estudio demostró que la práctica regular de ejercicio físico aeróbico disminuye la hiperglicemia, mejora la tolerancia a la glucosa, reduce la dislipidemia secundaria y previene el hígado graso no alcohólico y la hipotrofia muscular en ratones tratados crónicamente con glucocorticoide. A pesar de no haberse observado ningún efecto del entrenamiento físico en la concentración sanguínea de HDL-c, se cree que otros protocolos puedan demostrar, en este modelo experimental, el ya conocido efecto de la actividad física en el metabolismo de esa proteína. Los datos presentados por el presente estudio sugieren la indicación del ejercicio físico como medida de prevención y tratamiento de las alteraciones cardiometabólicas inducidas por el uso crónico de glucocorticoide.
Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.
El presente estudio no tuvo fuentes de financiación externas.
No hay vinculación de este estudio a programas de postgrado.
BACKGROUND: Chronically, glucocorticoids induce adverse cardiometabolic alterations including insulin resistance, diabetes, dyslipidemia, liver steatosis and arterial hypertension. OBJECTIVES: To evaluate the effect of regular practice of aerobic exercise on cardiometabolic alterations induced by chronic administration of dexamethasone (Dex - 0.5 mg/kg/day ip) in rats. METHODS: Male Wistar rats (n = 24) were divided in four groups: Control group; Trained group; Treated with Dex group and Treated with Dex and trained group. The exercise training (initiated 72 hours after the first dose of Dex) was carried out three times a week until the end of the treatment. At the end of this period, the following biochemical assessments were performed: fasting glycemia, oral glucose tolerance test and analysis of the blood lipid profile that included total cholesterol (TC), LDL-c, HDL-c, VLDL-c and triglycerides (TG). The weight of the gastrocnemius muscle, the histopathological analysis of the liver and cardiometabolic indices (TC/HDL-c, LDL-c/HDL-c and TG/HDL-c) were also performed. RESULTS: Hyperglycemia, lower glucose tolerance, increased TC, LDL-c, VLDL-c, TG, CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c and TG/HDL-c, decreased HDL-c, presence of liver steatosis and muscular hypotrophy were observed in the animals treated with Dex. The exercise training reduced hyperglycemia, improved glucose tolerance, decreased dyslipidemia and prevented liver steatosis, muscular hypotrophy and reduced CT/HDL-c, LDL-c/HDL-c and TG/HDL-c ratios. However, there was no significant effect on HDL-c. CONCLUSION: The aerobic exercise training have a protective effect against the cardiometabolic alterations induced by the chronic use of glucocorticoids.
IDepartamento de Fisioterapia, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, CE, Brasil
IIDepartamento de Ciências Farmacêuticas, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, CE, Brasil
IIIDepartamento de Ciências da Nutrição, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, CE, Brasil
IVFaculdade de Medicina, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, Fortaleza, CE, Brasil
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Glucocorticoids (GCs) are corticosteroids, substances derived from cholesterol, synthesized and secreted by the adrenal glands1. The GCs are hormones that act on the transcriptional control of genes involved in the regulation of metabolic, cardiovascular and immunological functions1. This effect is processed through the nuclear glucocorticoid receptor (GR), which is activated, transiently, only after the exposition of the cells to the GCs1,2.
The term "glucocorticoid" is due to the action of these substances on the carbohydrate metabolism. In the skeletal muscle, the GCs cause insulin resistance resulting in a lower uptake of blood glucose and reduced glycogen synthesis1. In this tissue, protein synthesis inhibition and increased protein catabolism are also observed, which result in muscular hypotrophy1. The amino acids mobilized from the muscular tissue are used in liver gluconeogenesis1. Together, the insulin resistance and increased gluconeogenesis result in hyperglycemia1.
In the 1950s, the discovery of the potent anti-inflammatory effect of the GCs led to their prescription in the treatment of chronic rheumatic diseases3. Currently, the synthetic GCs are broadly used in the treatment of autoimmune diseases and in the prevention of allograft rejection4,5. However, the chronic use of GCs is associated to several adverse cardiometabolic effects6,7. As in Cushing's syndrome, caused by elevated levels of blood cortisol, the chronic use of GCs causes insulin resistance, diabetes, dyslipidemia and arterial hypertension8. If left untreated, Cushing's syndrome may result in death by cardiovascular disease6,8.
The GCs would have a role in the physiopathology of the metabolic or plurimetabolic syndrome. Recently, it was demonstrated that the elevated gene expression of GR in the skeletal muscle is associated to lower insulin sensitivity9. Additionally, the 11-beta-hydroxysteroid dehydrogenase, which converts cortisone (inactive GC) into cortisol (biologically active GC), has also been implicated in the development of obesity, insulin resistance and type 2 diabetes10. Rats chronically treated with dexamethasone (a synthetic GC) have been used in the experimental study of the metabolic syndrome. These animals present insulin resistance, hypercholesterolemia, hypertriglyceridemia, non-alcoholic fatty liver disease (liver steatosis), endothelial dysfunction and arterial hypertension7. Clinical directives on the treatment and prevention of atherosclerosis11 acknowledge the cardiometabolic risk caused by the chronic use of GCs and stimulate lifestyle changes as a strategy to promote cardiovascular health.
The regular physical activity is an important non-pharmacological resource in the management of the cardiometabolic risk11. Exercise increases uptake and oxidation of glucose and fatty acids from the blood12,13, improve insulin signaling13,14, increase the activity and expression of transporters and enzymes that regulate the glucose and fatty acid metabolism14,15, promotes mitochondrial biogenesis12 and improves endothelium-dependent vasodilation in skeletal muscle16.
However, scientific evidence on the effect of exercise training on cardiometabolic alterations caused by the chronic use of GCs is scarce in the literature. In the present study, the impact of aerobic exercise training upon cardiometabolic parameters in long-term glucocorticoid-treated rats was investigated.
The present study was approved by the Committee of Ethics in Animal Research of Medicine School of Federal University of Ceará. All animals received humane care in compliance with the Ethical Principles of the Brazilian College of Animal Experimentation (COBEA) and according to the rules established by the Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (Institute of Laboratory Animal Resources, National Academy of Sciences, Washington, D. C. 1996).
Male albino Wistar rats (
The animals (n = 24) were randomly distributed in four groups: Control group (comprising sedentary rats that were not treated with GC; n = 6); Trained group (comprising rats submitted to physical training only; n = 6); Treated group (comprising sedentary rats treated with GC; n = 6); Treated and trained group (comprising rats treated with GC and submitted to the physical training; n = 6).
At the end of the study, the following biochemical analyses were performed in blood: fasting glycemia, oral glucose tolerance test (OGTT), serum levels of total cholesterol (TC), low-density lipoprotein cholesterol (LDL-c), high density lipoprotein cholesterol (HDL-c), very-low density lipoprotein cholesterol (VLDL-c) and triglycerides (TG). The body weight was monitored weekly throughout the study. At the end of the study, the gastrocnemius muscle weight was determined and the liver was used for slide preparation and posterior histopathological analysis.
The following cardiometabolic parameters were also assessed: Castelli's atherogenic ratios (CT/HDL-c) I and II (LDL-c/HDL-c), and the TG/HDL-c ratio. Castelli's ratios are used for the analysis of coronary risk in the presence of cardiovascular risk factors17. The TG/HDL-c ratio is associated to the cardiovascular risk conferred by the insulin resistance18.
The animals were treated with dexamethasone (Dex - 0.5 mg/kg/day ip) (Decadron®, Prodome, Brazil), for one month, always at the same time of the day. This dose results in insulin resistance after seven days19.
Previously, a progressive stress test was carried out in the animals submitted to the physical training. The test was carried out in a Rota Rod Treadmill (model 7700, Ugo Basile®, Milan, Italy). After the period of adaptation to the equipment, suggested by the manufacturer, a personalized protocol was applied, with an initial velocity of 3 rotations per minute (rpm) and 3 rpm increments every 3 minutes (
The aerobic exercise training was carried out 3 times a week, always at the same time of the day (7:00 p.m) until the end of the glucocorticoid treatment. The intensity of the exercise was 60% of the maximum velocity attained by the animals during the exercise stress test, being the exercise training protocol considered as moderate intensity. Before reaching the training velocity, the animals were submitted to low-velocity warming-up (2 rpm), for 6 minutes. The exercise duration was 60 minutes and the first session was carried out 72 hours after the first Dex dose.
The body weight was monitored through weekly measurements and the first one was carried out before the first Dex dose.
Seventy-two hours after the last exercise session, the animals were submitted to a 12-hour fasting period and then were anesthetized with sodium pentobarbital (40 mg/kg i.p.; Nembutal®, Abbot Laboratories, Abbot Park, Illinois, USA). A surgical incision was made on the posterior paw and the femoral vein was located. A blood specimen (300 µl) was collected for blood glycemia measurement, which was performed with a digital glucosimeter (Accu-Check Active®; Roche Diagnostic System, Branchburg, NJ, USA). The OGTT was carried out after the oral administration of glucose (1 g/kg of body weight) by gavage. New blood specimens were collected after 30, 60 and 120 minutes.
The serum lipid levels were measured by spectrophotometry according to the instructions and recommendations of the National Cholesterol Education Program (NCEP)21. The fasting animals were euthanized by cervical displacement and immediately after it, a heart puncture was performed to collect blood samples, which were stored in ice. The serum was obtained by centrifuging at 2500 rpm, for 20 minutes, at 4°C. The biochemical analyses were carried out by spectrophotometry. A wavelength of 500 nm was used to measure the TC levels, according to the manufacturer's instructions (Kit Colesterol Liquiform, Labtest Diagnóstica, Lagoa Santa, MG, Brazil). The TG measurement was carried out using the kit Triglicerides Liquiform (Labtest Diagnóstica, Lagoa Santa, MG, Brazil) and a wavelength of 510 nm. The measurement of the HDL-c was carried out with the kit HDL LE (Labtest Diagnóstica, Lagoa Santa, MG, Brazil) and a wavelength of 600 nm. The levels of LDL-c and VLDL-c were calculated using Friedewald equation22.
Friedewald equation = [LDL-C = CT - (HDL-C + TG/5)]
After euthanization, the gastrocnemius muscle was surgically removed and the proximal and distal insertions were preserved. The weight of the skeletal muscle was measured with a precision scale (model 750 SW - OHAUS Corp., Pine Brook, NJ, USA). The gastrocnemius muscle was chosen for the study of the effect of Dex on protein metabolism as it presents a large number of fast contraction fibers, considering that these fibers are more susceptible to the catabolic action of GCs23. As the animals had similar weights and were of similar ages, we chose the non-normalization of the skeletal muscle weight variable.
The liver was removed before the heart puncture and was immediately fixed in a 10% formaldehyde solution. After the material was paraffin-embedded, histological slides were prepared using hematoxylin and eosin (HE) stain. The histopathological analysis was performed by optical microscopy (Nikon E800, Nikon USA, Melville, NY, USA).
The data were expressed as means ± standard error (SEM) and the comparison between the groups was carried out by one-way Analysis of Variance (ANOVA) statistical test combined with Tukey-Kramer post-test. The level of significance was set at p < 0.05.
After 4 weeks, the animals treated with a daily dose of Dex presented hyperglycemia when compared to the control group (181.25 ± 12 mg/dl
The treatment with Dex altered the glycemic response to the OGTT. The sedentary animals presented higher glycemic levels at 30, 60 and 120 minutes when compared to the control group, which represents lower glucose tolerance. The animals submitted to exercise training concomitantly with Dex treatment presented a glycemic response similar to that of the control group. The exercise training had no effect on the glucose tolerance in the animals that were not treated with Dex. The OGTT data are shown in
The chronic administration of Dex induced dyslipidemia characterized by hypercholesterolemia, hypertriglyceridemia and decreased serum levels of HDL-c, when compared to the control group. We also observed an increase in the LDL-c and VLDL-c levels in sedentary animals treated with GC.
The exercise training was effective in preventing hypercholesterolemia (TC, LDL-c and VLDL-c) and hypertriglyceridemia induced by the chronic administration of Dex. However, the exercise had no significant effect on serum levels of HDL-c (p > 0.05). The exercise training also reduced the TG and VLDL-c levels in the animals that were not treated with GC.
In parallel to the improvement in the dyslipidemia condition, the animals treated with Dex and trained presented higher weight loss when compared to the control group and the sedentary animals. The exercise training also reduced the body weight in the untreated animals. The treated sedentary animals showed weight gain after 7 days of treatment and subsequently, they presented a progressive decrease of this variable. The blood TC and lipoprotein levels are shown in
The animals treated with Dex presented lower gastrocnemius muscle weight when compared to the control group (0.8 ± 0.07 g
The histopathological analysis of the liver in the animals treated with GC showed the presence of lipid vacuolization in the hepatocytes, which morphologically characterizes the non-alcoholic fatty liver disease (liver steatosis). The exercise training prevented this liver alteration. The liver histopathological analysis is shown in
The sedentary animals submitted to the chronic treatment with Dex presented higher cardiometabolic risk in comparison to controls. An increase in Castelli's ratio I and II and the TG/HDL-c was verified. Regarding the treated and trained animals, they presented lower values of all these ratios, when compared to sedentary animals. The data regarding the effect of the GC and exercise training on the cardiometabolic risk are shown in
Dexamethasone (Dex) has been broadly used as an experimental model for the study of the metabolic syndrome, because one of its main adverse effects is insulin resistance7. According to some authors1,7 rats treated with Dex present decreased glucose uptake stimulated by insulin in the skeletal muscle and fat tissue, whereas in the liver, there was a reversion of gluconeogenesis suppression. A permissive effect to the action of lipolytic hormones (adrenaline, noradrenaline and growth hormone) was observed in the fat tissue, resulting in the increased hydrolysis of triglycerides, release of fatty acids into the blood (substances that induce oxidative stress and endothelial dysfunction) and glycerol for liver gluconeogenesis1,7,24. The peripheral insulin resistance and the increased gluconeogenesis mediated by GCs cause persistent hyperglycemia, diabetes, dyslipidemia and arterial hypertension due to endothelial dysfunction7.
In the present study, the chronic administration of Dex to rats resulted in hyperglycemia, decreased glucose tolerance, hypercholesterolemia, hypertriglyceridemia and decreased serum HDL-c levels, and induced liver steatosis and muscular hypotrophy. The cardiometabolic risk indices were also higher in these animals, when compared to the control group.
The data of the present study are in accordance with those described by Severino et al7. The main contribution of the present study was to demonstrate that the cardiometabolic alterations induced by the chronic use of GCs can be reduced and/or prevented by the regular practice of aerobic exercise. In the present study, the aerobic exercise training decreased hyperglycemia, prevented hypercholesterolemia, hypertriglyceridemia, the increase in cardiometabolic indices, the liver steatosis and muscular hypotrophy in rats chronically treated with Dex. However, exercise trainig had no effect on the serum HDL-c levels.
In the skeletal muscle tissue, the GCs inhibit the glucose uptake stimulated by insulin7,14,25. In the skeletal muscle of rats treated with Dex, there is inhibition of phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)25. The PI3K is involved in the activation mechanism of the translocation of the Glucose Transporter Isoform 4 (GLUT4) to the sarcolemma after the insulin stimulus, mainly, in the postprandial period25,26. The treatment with GCs also decreases the synthesis of glycogen in this tissue1,25,26.
The contraction is a powerful stimulus capable of increasing the blood glucose uptake in the skeletal muscle12. The muscle contraction activates the translocation of GLUT4 to the sarcolemma through a signaling pathway independent from the activation of PI3K, that is, through a cascade of signal transduction events independent from insulin signaling25. Ruzzin and Jensen25 demonstrated that the increase in the glucose uptake mediated by the muscle contraction is preserved in rats chronically treated with Dex, whereas the insulin-induced uptake is impaired. Some authors13,14,25,27 demonstrated that insulin sensitivity in the skeletal muscle also increases after the physical exercise. According to Howlett et al27, the muscle contraction increases the phosphorylation of insulin receptor substrate-2 (IRS-2), an alternative pathway in insulin signaling. There is also a higher phosphorylation in protein-kinase serine B (PKB or AKT), important for the activation of the GLUT4 translocation to the sarcolemma28.
In addition to increasing the translocation of GLUT4 to the sarcolemma, the contraction also increases the gene expression of GLUT4 in the skeletal muscle29. Thus, the trained skeletal muscle uptakes more glucose due to a higher gene expression and larger amount of GLUT4 in the sarcolemma and through the increase in insulin sensitivity.
Exercise training is an effective non-pharmacological resource in the treatment of insulin resistance and promotes glycemic control in animals with insulin resistance induced by obesity29. The evidence generated by the present study reinforce the indication of aerobic exercise as treatment for insulin resistance induced by GCs. To date, no study had demonstrated this effect, which has a very significant clinical relevance.
In addition to insulin resistance in peripheral tissues, the increased liver gluconeogenesis and the augmented blood mobilization of muscle amino acids have an important role in hyperglycemia caused by the chronic use of GCs1. The stimulation of the muscular protein synthesis can favor the glycemic control through the decreased release of amino acids for the liver gluconeogenesis. According to LaPier23, the practice of endurance exercise is an effective resource in the prevention of muscular hypotrophy induced by GCs. The protocol of exercise training used in the present study is characterized by strength and aerobic resistance exercise, as the animals were exercised during 60 minutes at a constant velocity and needed to overcome the force of gravity to keep them on the equipment. It was also demonstrated that the physical training prevented the muscular hypotrophy and improved the glycemic control in the animals chronically treated with Dex.
In the present study, the aerobic exercise also decreased the secondary dyslipidemia induced by the chronic use of GC. The increase in the oxidation of fatty acids during the aerobic exercise has been well demonstrated. During contractions in the skeletal muscle, the increase in the concentrations of adenosine monophosphate (AMP) and the decrease in the concentrations of creatine phosphate lead to the activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK)12. The AMPK phosphorilates and inhibits the acetyl-CoA-carboxylase and, consequently, reduces the concentrations of malonyl-CoA, an allosteric inhibitor of carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1)12. That increases the long-chain fatty acids oxidation within the mitochondria12,15. The exercise training also promotes the mitochondrial biogenesis and increases the expression of transporters and enzymes that regulate fatty acid oxidation in the skeletal muscle15. In our experimental model, the exercise training decreased dyslipidemia and lipid accumulation in the liver. Similar results were observed by Severino et al7 in response to the treatment with metformin (a potential AMPK activating drug) in rats chronically treated with Dex.
Alterations in the lipid metabolism are accompanied by changes in body weight. Clinically, weight gain is observed in patients with Cushing's syndrome and in those submitted to chronic treatment with GCs1,6,8. This is due to the stimulating effect of GCs in the hypothalamic appetite regulation center1. Differently from what is observed in humans, there is a decrease in body weight in animal models. As in the present study, Severino et al7 also demonstrated a weight decrease in rats treated with Dex. That is probably due to the intense lipolysis caused by the insulin resistance in the fat tissue and the permissive effect of GCs on the lipolytic action of adrenaline and noradrenaline1. The lower uptake of glucose caused by the insulin resistance in the skeletal muscle leads to a preference of oxidation of fatty acids in this tissue30. Venkatesan et al30 demonstrated that the administration of etomoxir, an inhibitor of CPT1, inhibits the oxidation of fatty acids in the skeletal muscle, with a consequent increase in the concentrations of free fatty acids in the blood, decreasing hyperglycemia and hyperinsulinemia in rats treated with Dex. Therefore, the increase in the bioavailability of fatty acids in the blood caused by the increase in lipolysis stimulates the oxidation of these energetic substrates in the skeletal muscle30-32.
The improvement in the lipid metabolism in response to the exercise training is accompanied by a decrease in body weight. The animals treated with Dex and trained presented the highest weight loss when compared to the sedentary animals. Such fact can be attributed to the increased oxidation potential of fatty acids in the muscles of trained animals and also to the permissive effect of GCs on the lipolytic action of adrenaline and noradrenaline, of which plasma concentrations are elevated during the exercise1. The oxidation of fatty acids during the exercise depends on the bioavailability of these substrates in blood, activation of AMPK and the content of transporters and enzymes involved in the oxidation of these lipids in the skeletal muscle31,33.
Finally, the exercise training could have a beneficial effect on the control of GC-induced arterial hypertension. Although this parameter was not evaluated in the present study, it is believed that the exercise training might have positively influenced the blood pressure control in animals treated with Dex. Dex does not have a significant mineralocorticoid action, but it has a hypertensive effect7. It is believed that Dex decreases the expression of nitric oxide synthase (NOS) and impairs the endothelium-dependent vasodilation7. This would be caused by the increase in the concentration of free fatty acids in blood, the oxidative stress induction and insulin resistance7. Severino et al7 demonstrated that rats treated with low Dex doses developed arterial hypertension and that the latter is preceded by insulin resistance and dyslipidemia. Such fact suggests that insulin resistance is an event that precedes the development of hypertension in animals treated with Dex. Therefore, aerobic exercise training improves the insulin sensitivity and could have an effect on the blood pressure control decreasing oxidative stress and improving endothelial dysfunction16,34.
The present study demonstrated that the regular practice of aerobic exercises decreases hyperglycemia, improves glucose tolerance, reduces secondary dyslipidemia and prevents non-alcoholic fatty liver disease and muscular hypotrophy in rats chronically treated with glucocorticoid. Although no effect of exercise traning was observed on blood levels of HDL-c, it is believed that other protocols can demonstrate, in this experimental model, the already known effect of physical activity on the metabolism of this lipoprotein. The data presented herein suggest the use of aerobic exercise training in the prevention and treatment of cardiometabolic alterations induced by the chronic use of glucocorticoids.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
There were no external funding sources for this study.
This study is not associated with any post-graduation program.