Vztah mezi BDNF, irisinem, svalovou hmotou a sílou a kognitivními funkcemi u starších žen: jak tyto parametry predikují výsledky ve vybraných kognitivních testech

Souhrn

Pochopení vztahu mezi senzomotorickými proměnnými a exerkiny, které ovlivňují funkci mozku a kognici, nám umožňuje hlouběji porozumět biologickému procesu stárnutí. Hlavním cílem této studie bylo zjistit, jak silně jsou mozkový neurotrofický faktor (brain-derived neurotrophic factor, BDNF), irisin, svalová hmota a svalová síla asociovány s výsledky testů vybraných kognitivních funkcí u starších žen a jak dobře je predikují. Padesát sedm starších žen (průměrný věk 70,4 ± 4,1 roku) absolvovalo baterii neuropsychologických testů, měření izometrické dynamometrie a bioelektrické impedance. Hladiny v krevním séru sledovaných exerkinů byly stanoveny enzymatickým imunosorbentním testem (ELISA). Pro testování predikcí byly využity hierarchické vícenásobné regresní modely. Odhadli jsme, že rozptyl 46,1 % v krátkodobé paměti byl zapříčiněn hladinami BDNF v séru, přičemž druhým statisticky významným prediktorem byl věk (beta = –0,22; p = 0,030). Síla dolních končetin (lower limb strength, LLS) prokázala významnou prediktivní sílu jak u paměti – bezprostřední vybavení (beta = 0,39; p = 0,004), tak u paměti – oddálené vybavení (beta = 0,45; p = 0,001). Hladiny BDNF v séru byly významným prediktorem u oddáleného vybavení (beta = 0,29; p = 0,048). Přidání hladin BDNF do modelu prokázalo významné zvýšení jeho prediktivní síly o přibližně 5,6 % (p = 0,048) u paměti – oddálené vybavení. Index kosterní svalové hmoty (skeletal muscle index, SMI) a úroveň vzdělání byly významnými prediktory mentální flexibility. Byla zjištěna silná pozitivní asociace mezi hladinami BDNF, irisinem, svalovou silou a kognitivní funkcí, přičemž irisin a svalová síla jsou silnými prediktory hladin BDNF u starších žen.

Studie byla realizována s podporou grantu Univerzity Karlovy – PRIMUS/19/HUM/012, Specifického vysokoškolského výzkumu SVV 260599, projektu COOPERATIO a Grantové agentury UK číslo grantu 268321.

Klíčová slova:

kognitivní domény, stárnutí, kognitivní výkon, kognitivní funkce, sérum, biomarkery

Úvod

Na začátku 21. století populace stárne mnohem rychleji než v minulosti, což přináší zvýšenou prevalenci věkově podmíněných neurodegenerativních onemocnění. Toto stárnutí se stává klíčovým vědeckým tématem, zejména v kontextu přirozených změn mozku spojených s věkem. Mozkový neurotrofický faktor (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) byl nedávno uznán jako klíčový biomarker funkce centrálního nervového systému, včetně jeho neuroplasticity a neurogeneze.⁽¹⁾ BDNF a irisin jsou považovány za exerkiny, které se uvolňují v reakci na akutní nebo pravidelné cvičení.^(2,3) BDNF se uvolňuje v různých částech mozku a bylo prokázáno, že zlepšuje neurorestorativní účinky a související kognitivní funkce, jako jsou paměť a učení.⁽⁵⁾ Na druhou stranu irisin je považován za klíčového mediátora mezi kosterním svalstvem a mozkem,⁽⁶⁾ který při cvičení zvyšuje expresi BDNF při překročení hematoencefalické bariéry.⁽⁷⁾ Bylo prokázáno, že cvičení prostřednictvím mediátorů, jako je irisin, zvyšuje hladiny BDNF, objem hipokampu a neurogenezi, zlepšuje synaptickou plasticitu a prostorovou paměť.⁽⁸⁾ Příznivé účinky jak aerobního, tak odporového cvičení na kognitivní funkce u starších osob jsou dobře zdokumentované,^(9–11) nicméně základní mechanismus je stále nejasný. Nedávná studie zdůraznila pozitivní vztah mezi těmito exerkiny a kognitivním výkonem, zejména u pacientů s Alzheimerovou chorobou.⁽¹²⁾ Nicméně nedávná metaanalýza poskytla důkazy, že cvičení nezpůsobuje rozdíl v periferní koncentraci BDNF u starších dospělých.⁽¹³⁾ Navíc někteří autoři prokázali, že hladiny BDNF byly vyšší u starších žen s vážnou sarkopenií, což je kontroverzní zjištění, protože jiné studie uvedly, že hladiny BDNF jsou pozitivně asociovány se svalovou sílou a celkovým fyzickým výkonem.⁽¹⁴⁾ Vzhledem k těmto nesrovnalostem bylo hlavním cílem této studie prozkoumat vztah mezi BDNF, irisinem, svalovou hmotou a sílou a kognitivními funkcemi u starších žen a určit, jak silně tyto parametry predikují výsledky ve vybraných kognitivních testech.

Metody

Design studie

Tato průřezová studie byla provedena jako součást klinického testování zaregistrovaného pod identifikačním číslem NCT05363228. Data byla získána v srpnu 2021 a v srpnu 2022 na Fakultě tělesné výchovy a sportu Univerzity Karlovy a ve Fakultní nemocnici Královské Vinohrady v Praze. Etické komise Fakulty tělesné výchovy a sportu a Fakultní nemocnice Královské Vinohrady schválily studii. Všechny probandky přečetly a podepsaly formulář informovaného souhlasu před zapojením do studie.

Výzkumný soubor

Studie se zúčastnilo padesát sedm starších žen. Kritéria pro zařazení do studie byla věk v rozmezí 65–80 let, úplná nezávislost, žádná omezení pohyblivosti, dobrý zrak a sluch. Vylučovací kritéria zahrnovala neurologická onemocnění (epilepsie, významné poranění hlavy, mozková mrtvice, mozkové operace, nádory mozku), psychiatrická onemocnění nebo léčba (deprese, schizofrenie, bipolární porucha, drogová závislost, alkoholismus), selhání orgánů (srdce, ledviny), onkologická onemocnění v posledních pěti letech nebo pacienti po chemoterapii či radioterapii, operace pod celkovou ane-
stezií v posledních třech měsících, užívání látek zlepšujících kognitivní funkce.

Sběr dat

Probandky uvedly svou úroveň vzdělání. Tělesná výška byla měřena pomocí přenosného stadiometru (SECA 213), tělesná hmotnost a složení těla byly měřeny pomocí bioelektrické impedance (přístrojem BIA, InBody 720, Biospace Co., Ltd., Seoul, Korea). Index kosterní svalové hmoty (SMI) byl vypočítán jako celková svalová hmota odhadnutá pomocí bioelektrické impedance (BIA), dělená druhou mocninou tělesné výšky. Index kosterní svalové hmoty (SMI) byl navržen jako poměrně citlivý diagnostický ukazatel sarkopenie u starších dospělých.⁽¹⁵⁾ Podle standardních metod byla úroveň statické síly horních končetin měřena pomocí přenosného ručního dynamometru s nastavitelnou polohou rukojetí (Takei A5401, Japonsko). Byla použita nejlepší hodnota ze tří pokusů. Pro sílu dolních končetin (LLS) byla testována izometrická síla kolenních extenzorů dominantní končetiny pomocí dynamometru Humac Norm (Cybex CSMI, Stoughton, MA). Před samotným testováním absolvovaly všechny probandky řízené zahřátí pod odborným dohledem. Poté byly testovány podle standardizovaných pokynů.

Testy kognitivních funkcí

V rámci neuropsychologické baterie byl všem probandkám administrován Reyův auditorně-verbální test učení (RAVLT). RAVLT zahrnuje testy okamžitého vybavení – krátkodobá paměť (A1), schopnost a strategie učení nových informací (∑ A), interferenci (B), schopnost vybavit si naučený materiál po interferenci – bezprostřední (volné) vybavení (A6) a oddálené vybavení po 30 minutách (A7). Více správně vybavených slov znamená vyšší bodové ohodnocení a lepší výkon.^(16,17)
Dále byl využit test verbální fluence kategorie zvířata. Tento test posuzuje sémantickou paměť a zároveň jazykové schopnosti. Probandky byly požádány, aby během 60 sekund vyjmenovaly co nejvíce zvířat. Více slov znamená lepší výkon.⁽¹⁸⁾ Podtest Digit Symbol (DS) z Wechslerovy škály inteligence pro dospělé (WAIS-III) byl použit k testování rychlosti zpracování. Principem je přiřazování dvojic symbolů a číslic. Měří se počet správně přiřazených symbolů v určeném čase dvou minut. Maximální dosažitelné skóre je 135.⁽¹⁹⁾ Trail Making Test (TMT) v obou verzích A a B byl použit k posouzení pozornosti a mentální flexibility. V TMT A subjekt propojuje sérii 25 číslic v kruzích počínaje číslem 1 a pokračující v číselném pořadí. V části B subjekt propojuje 25 číslic a písmen v kruzích v číselném a abecedním pořadí a přeskakuje střídavě mezi čísly a písmeny. Například první číslo „1“ je následováno prvním písmenem „A“, poté druhým číslem „2“ a pak druhým písmenem „B“ atd. Byla měřena rychlost a probandky byly požádány, aby test dokončily co nejrychleji. Kratší čas znamená lepší výkon u obou testů.⁽²⁰⁾

Sběr a příprava vzorků séra

Krev byla odebrána účastnicím mezi 7.30 a 9.00 ráno z kubitální žíly do vakuovaných zkumavek. Poté byly vzorky uchovávány po dobu 90 minut při pokojové teplotě, aby se usnadnilo srážení. Následně byly krevní vzorky odděleny centrifugací při 1500 g a 20 °C po dobu 10 minut a uchovávány zmrazené při −80 °C až do analýzy. Pro odhad hladin irisinu a BDNF v krvi jsme použili soupravy pro enzymově vázaný imunosorbentní test (ELISA) ve čtečce ELISA HiPo MPP-96 Microplate fotometru (BioSan).

Analýza dat

Pro každou proměnnou byl vypočítán aritmetický průměr se směrodatnou odchylkou (SD). Ke zhodnocení vztahů mezi jednotlivými proměnnými byla použita Spearmanova korelační analýza. Hlavní analýza byla provedena pomocí hierarchických regresních modelů. V první hierarchické vícenásobné regresní analýze jsme zkoumali vliv věku, SMI, LLS a hladin irisinu na hladiny BDNF v séru.

Abychom se vyhnuli multikolinearitě, v našich modelech jsme použili pouze LLS. Zvolili jsme LLS, protože korelace mezi BDNF, irisinem, kognitivními proměnnými a LLS byla vždy vyšší než mezi sílou stisku ruky. V hlavní analýze se hierarchická vícenásobná regrese skládala ze tří bloků. V prvním bloku jsme jako kontrolní proměnné zahrnuli věk a úroveň vzdělání. Ve druhém bloku jsme přidali proměnné související se svaly – irisin, SMI a LLS. Nakonec, ve třetím bloku, jsme testovali, zda hladiny BDNF v séru byly významnými nezávislými prediktory kognitivních funkcí. Pro odhad podílu rozptylu závislých proměnných, vysvětleného nezávislými proměnnými v každém kognitivním testu, a pro zjištění změny hodnoty R² po přidání dalších prediktorů jsme vypočítali R². Pro zobrazení individuální prediktivní síly každého prediktoru jsme v každém bloku modelu vypočítali standardizovaný regresní koeficient beta. Hladina významnosti byla stanovena na úrovni p < 0,05. Pro výpočty a zpracování dat byl použit program IBM SPSS Statistics 24.

Výsledky

Průměrný věk probandek byl 70,4 ± 4,1 let, průměrný BMI 25,6 ± 3,8 kg/m². Charakteristiky výzkumného souboru jsou uvedeny v tabulce 1.

Výsledky kognitivních testů jsou uvedeny v tabulce 2. Věk koreloval pouze s TMT A a TMT B, což znamená, že vyšší věk byl spojen s horším výkonem v obou testech. Hladiny BDNF v séru významně korelovaly s irisinem a oběma měřeními svalové síly; nejsilnější asociace byla mezi BDNF a RAVLT A1 (rs = 0,774; p < 0,001). Síla stisku ruky a LLS vysoce korelovaly s RAVLT A1, RAVLT A7 a LLS také vysoce korelovaly s RAVLT A6. SMI významně korelovala pouze s TMT B (rs = –0,314; p < 0,05).

Korelační matice parametrů testovaných regresních modelů ukazující míru korelace mezi jednotlivými parametry je uvedena v tabulce 3. LLS byl nejsilnějším prediktorem hladin BDNF v hierarchických regresních modelech. Kromě LLS byl významným prediktorem také irisin. Přidání irisinu do modelu zvýšilo jeho prediktivní sílu o 9,8 % a učinilo model poměrně silným (R² = 33,8 %; p < 0,001). Podíl rozptylu vysvětleného predikčními proměnnými byl nejvyšší u krátkodobé paměti, reprezentované RAVLT A1 (R² = 60,5 %; p < 0,001). Prediktivní síla prediktorů byla významná u bezprostředního vybavení (RAVLT A6), oddáleného vybavení (RAVLT A7) pozornosti a mentální flexibility. Věk byl významným prediktorem u krátkodobé paměti (RAVLT A1) (beta = –0,22; p = 0,030), schopnosti učení (RAVLT ∑ A) (beta = –0,33; p = 0,025), pozornosti (TMT A)  (beta = 0,44; p = 0,002) a vzdělání u mentální flexibility (TMT B) (beta = 0,26; p = 0,047). Pro mentální flexibilitu byl SMI také významným prediktorem (beta = –0,27; p = 0,043). Prediktivní síla prediktorů byla navíc významná pro pozornost (R² = 23,6 %; p = 0,030) a mentální flexibilitu (R² = 23,2 %; p = 0,033).

U krátkodobé paměti přidání BDNF významně zlepšilo model o 46,1 % (p < 0,001) a přidání LLS významně zlepšilo modely pro bezprostřední (volné) vybavení (RAVLT A6) (změna R² = 20,2 %; p = 0,008) a pro oddálené vybavení (RAVLT A7) (změna R² = 23,7 %; p = 0,003). Přidání BDNF dále zvýšilo prediktivní sílu pro oddálené vybavení o 5,6 % (p = 0,048). Výsledky hierarchických regresních modelů jsou graficky znázorněny na obrázku 1.

Diskuse

Tato studie měla za cíl zkoumat vztah BDNF, irisinu, svalové hmoty a síly a kognitivní funkce u starších žen a určit, jak silně tyto parametry předpovídají výsledky vybraných kognitivních testů. Hlavní výsledky této studie ukazují, že: a) existuje pozitivní vztah mezi BDNF a irisinem, svalovou sílou a pamětí a hladiny BDNF silně předpovídají výkon zejména v položkách krátkodobá paměť a oddálené vybavení; b) svalová síla je pozitivně spojena s pamětí a silně předpovídá výkon především v položkách bezprostřední (volné) vybavení a oddálené vybavení; c) regresní model ukázal, že jak svalová síla, tak irisin jsou silnými pozitivními prediktory hladin BDNF v krevním séru; d) svalová hmota je však negativně spojena s výkonem v testu mentální flexibility. Ohledně hladiny BDNF v séru naše výsledky potvrdily, že mezi BDNF a irisinem existuje pozitivní vztah. Irisin je považován za mediátora komunikace mezi různými orgány a je uvolňován z kosterních svalů do těla v reakci na cvičení.⁽⁶⁾ Naše studie potvrdila, že irisin je silným prediktorem hladin BDNF v krevním séru.⁽²¹⁾ Pokud jde o kognitivní domény, naše výsledky jsou v souladu s předchozími studiemi, které zjistily, že nižší hladiny BDNF v séru byly spojeny s poruchami paměti u starších dospělých,^(22,23,24) konkrétně pak v položkách bezprostředního a oddáleného vybavování z paměti u zdravých starších dospělých.⁽²⁵⁾

Navíc naše výsledky v souladu s ostatními studiemi potvrzují absenci spojení mezi hladinami BDNF a sémantickou (kategoriální) verbální fluencí u zdravých dospělých ⁽²⁶⁾ a také zanedbatelné spojení mezi hladinami BDNF a výsledky testu DS u zdravých starších dospělých žijících v komunitních zařízeních.⁽²⁷⁾ Lai et al. (2020) nezjistili významné spojení mezi BDNF, verbální fluencí a rychlostí zpracování u starších dospělých se stížnostmi na paměť v cirkulující krvi, ale pouze pro hladiny BDNF v mozkomíšním moku, kde zaznamenali vztah mezi nižšími hladinami BDNF a horšími výsledky v různých kognitivních testech.⁽²⁸⁾ Mezi hladinou BDNF v krvi nebyl vztah s verbální pamětí měřenou u jedinců starších 60 let žijících v komunitních zařízeních. Nicméně vzorek se skládal pouze z jedinců s mírnou kognitivní poruchou (MKP) nebo z účastníků se subjektivními stížnostmi na paměť.⁽²⁸⁾ Na rozdíl od nás Wilkosc et al. (2016) nenašli silné důkazy o vztahu mezi hladinami BDNF v séru a výkonem v testu RAVLT u zdravé polské populace v rané a střední dospělosti,⁽²⁹⁾ což může znamenat, že vztah paměti a BDNF je věkově specifický. Překvapivě však zvýšené hladiny BDNF v séru byly spojeny s horší vizuální a verbální pamětí u lidí s Alzheimerovou chorobou.⁽³⁰)

Existují důkazy o tom, že hladiny BDNF mohou být zvýšeny u lidí s MKP.⁽³¹⁾ Zvýšené hladiny BDNF u lidí s MKP podporují hypotézu o zvýšené činnosti BDNF v preklinické fázi demence.⁽³¹⁾ Zdá se, že snížená funkce BDNF v séru a mozku pacientů s Alzheimerovou chorobou začíná až ve fázi, kdy se objeví první klinické symptomy,⁽³²⁾ a významně se pak snižuje v pozdějších stadiích onemocnění.⁽³³⁾

Ačkoli svalová síla může být důležitá pro zdravé stárnutí mozku, je jen zřídka zkoumána jako nepsychologický prediktor kognitivních funkcí. Navzdory omezenému počtu publikací jsou výsledky jednotlivých studií poměrně heterogenní. Proto jsou naše hlavní zjištění pouze částečně v souladu s předchozími studiemi. Například Anstey, Lord a Williams (1997), stejně jako my říkají, že interakce mezi silou dolních končetin a věkem nepředpovídá výsledky ve verbální fluenci nebo rychlost zpracování;⁽³⁴⁾ nicméně podle jejich výsledků síla dolních končetin přispěla k prediktivní síle modelu mentální flexibility, což je v rozporu s našimi zjištěními. Navíc na rozdíl od nás Anstey, Stankov a Lord (1993) zjistili významný vztah mezi silou kvadricepsu a TMT A i B ⁽³⁵⁾ a Frith a Loprinzi (2018) zjistili významný vztah mezi zvýšenou sílou dolních končetin a DS.⁽⁹⁾ Kromě toho Loprinzi (2016) zjistil významný vztah mezi posilováním svalů a DS u starších dospělých⁽³⁶⁾ a Marston et al. (2019) prokázali, že odporový trénink zlepšil paměť, konkrétně oddálené vybavení u středně starých a starších dospělých.⁽³⁷⁾ V jediné podobně navržené studii od Liu et al. (2022) jsme zjistili, že asociace mezi hladinami BDNF v séru a kognitivními funkcemi se zvýšila, když byla síla stisku ruky přidána jako kovariát
u starších dospělých.⁽³⁸⁾ Hachisu et al. (2018) zjistili významné vztahy mezi hladinami BDNF v séru a tloušťkou kvadricepsu a žádné vztahy mezi hladinami BDNF v séru a sílou stisku ruky u starších dospělých;⁽³⁹⁾ nicméně neanalyzovali vztahy mezi hladinami BDNF v séru, svalovou sílou a kognitivními funkcemi. Současné poznatky o fyziologii stárnutí svalů by mohly vysvětlit naše výsledky ohledně pozitivního spojení mezi sílou svalů, BDNF a pamětí, ale i ohledně negativního spojení mezi svalovou hmotou a mentální flexibilitou.^(40,41,42) I když se zdá, že snížená svalová hmota je dominantním faktorem při stárnutí svalů (síly a výkonu), kvalita svalů také přispívá k této ztrátě; například změna v ploše svalu vysvětluje pouze asi 6–8 % variability mezi jedinci ve změně síly kvadricepsu. Svalová hmota tak již není hlavním ukazatelem dobrého zdraví svalů a souvisejících nepříznivých výsledků u starší populace.⁽⁴³⁾ Místo toho může být důležitá svalová síla, která tak spolu s BDNF může lépe předpovídat celkové zdraví starší populace, včetně jejich kognitivních funkcí. Proto se pohybová aktivita zaměřená na posilování svalů jeví jako jeden z nejlepších nefarmakologických přístupů s významnými a přímými účinky na neuroplasticitu. Nicméně je třeba provést další studie, aby se toto téma podrobněji prozkoumalo. Dále jsme zjistili, že věk byl negativním prediktorem pro výkon v testu pozornosti, což podporuje myšlenku, že lidé starší 60 let projevují postupné zpomalení zpracování složitých úkolů a sníženou schopnost potlačovat irelevantní podněty,⁽⁴⁴⁾ a také jsme potvrdili, že úroveň vzdělání je silným pozitivním prediktorem pro mentální flexibilitu, a tím vliv vzdělání na neuropsychologický výkon.⁽⁴⁵⁾

Náš výzkumný soubor tvořily relativně zdravé ženy s vyšším vzděláním, což mohlo ovlivnit výsledky a představuje to omezení naší studie. Dalším omezením jsou techniky měření hladin irisinu v krvi pomocí ELISA, o kterých jsme se zmínili jinde.⁽⁴⁶⁾

Závěr

Zjistili jsme silnou asociaci mezi hladinami BDNF, irisinem, svalovou sílou a kognitivními funkcemi, přičemž irisin a svalová síla jsou silnými pozitivními prediktory hladin BDNF u starších žen. Dále BDNF, svalová síla a úroveň vzdělání jsou významnými pozitivními prediktory kognitivních testů souvisejících s pamětí u starších žen, týkajících se krátkodobé paměti a oddáleného vybavení. Je však potřeba další výzkum pro lepší porozumění vztahům mezi BDNF, irisinem, svalovou hmotou a sílou a kognitivními funkcemi pro definování jejich přesných účinků na kognitivní výkon u starších dospělých. ¡