Acute exercise modulates the PBMCs content of BDNF and Pro

Acute exercise modulates the PBMCs content of BDNF and Pro

Università di Roma Foro Italico
Dottorato di Ricerca in Attività Fisica e Salute: Aspetti Biomedici e Metodologici
24esimo Ciclo 2009-2011
Dottorando: Andrea Brunelli
Supervisor: prof. Daniela Caporossi
Title: The effects of acute exercise on neurotrophic factors and cognition
Titolo: Gli effetti dell’esercizio fisico acuto sui fattori neurotrofici e capacità cognitive
Abstract in ITALIANO
Il fattore neurotrofico Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) svolge la sua maggiore attività all’interno
del Sistema Nervoso Centrale (SNC), tuttavia la sua produzione e funzioni biologiche sono estese anche ad
altri tessuti periferici dove mostra capacità regolative sulla omeostasi energetica e sulle funzioni
immunitarie. Nonostante alcuni studi riportano che l’esercizio acuto può incrementare in maniera
transitoria la concentrazione di BDNF circolante, solo pochi di questi studi hanno cercato di identificare le
origini biologiche di produzione di tale fattore, che potenzialmente contribuiscano a questi cambiamenti
osservati.
L’obbiettivo di questo studio è stato pertanto di verificare se uno stress sistemico indotto dall’esercizio
acuto potesse modulare il contenuto di BDNF e la sua forma precursore pro-BDNF nelle Cellule
Mononucleate Periferiche (PBMCs).
Abbiamo esaminato gli effetti di due sessioni di esercizio in 10 giovani adulti una massimale (MAX) e una ad
una intensità moderata (IAT) e gli effetti di una sessione di esercizio all’ 85% HRmax in un gruppo di anziani
con un età compresa tra i 70-80 anni. Nel gruppo di giovani parametri fisiologici, biologici e cognitivi sono
stati misurati prima e dopo (fino ad un’ora) entrambe le sessioni. Inoltre abbiamo anche misurato
l’espressione interna alle PBMCs sia del BDNF, pro-BDNF e il loro recettore p75NTR in aggiunta ad una serie
di proteine che sono coinvolte nella risposta allo stress cellulare (hsp27, αB christallin, hsp70, hsp90) e che
hanno funzioni anti-apoptotiche (Bcl-xL). Ulteriore analisi è stata fatta sui livelli circolanti di BDNF, VEGF,
PDGF-BB, bFGF, e di citochine pro e anti infiammatorie. Il task cognitivo consisteva in un test validato per
misurare la memoria a breve termine. Per il gruppo di anziani invece le analisi pre-post esercizio si sono
limitate alla misurazione dei livelli circolanti di BDNF e della misurazione proteica nelle PBMCs di BDNF,
hsp27 e hsp70, a differenza del gruppo di giovani però le misurazioni si sono estese fino a 24 ore post
esercizio.
Per il gruppo di giovani è emerso che entrambe le sessioni di esercizio hanno modulato il BDNF e il proBDNF all’interno delle PBMCs nella fase di riposo post esercizio. Tuttavia mentre la forma pro- è
incrementata dopo entrambi le sessioni (MAX e IAT), la forma matura (BDNF) variava a seconda
dell’intensità dell’esercizio: è diminuita nella fase di recupero dopo il MAX, indicando un possibile rilascio
(infatti anche p75NTR è aumentato) mentre aumentava nella fase di recupero dopo IAT.
Il fatto che tale modulazione delle isoforme di BDNF era probabilmente dovuto allo stress sistemico
generato dalle diverse forme di esercizio è stato confermato dal fatto che le proteine di risposta allo stress
e i fattori anti-apoptotici sono stati modulati dalla condizione di esercizio massimale ma non da quella
moderata. Anche il test cognitivo è stato modificato dall’esercizio acuto, in maniera dipendente
dall’intensità a cui esso è stato svolto. Negli anziani invece, diversamente da quanto aspettato, non
abbiamo individuato tale modulazione di BDNF nelle PBMCs in risposta all’esercizio, e anche l’espressione
delle HSPs è stata solo lievemente modificata dall’esercizio (ovvero l’hsp70 tendeva a salire 24 ore dopo la
conclusione della sessione).
Ciononostante, questi dati confermerebbero che anche le PBMCs potrebbero essere in parte responsabili
nel determinare dei cambiamenti di BDNF circolante in risposta all’esercizio e proponiamo un nuovo ruolo
di questa neurotrofica nella regolazione del sistema immunitario, attivata soprattutto da sessioni di
esercizio massimale caratterizzate da importanti variazioni nella omeostasi fisiologica. Tuttavia è
importante da tenere in considerazione che il tipo, l’intensità e la durata dell’esercizio e le caratteristiche
dei soggetti testati vanno prese in considerazione per verificare un possibile effetto modulatorio
dell’esercizio
acuto
su
fattori
neurotrofici
espressi
dal
sistema
immunitario.
ABSTRACT in English
The neurotrophin Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) exerts its major action within the CNS, but its
production and biological functions are also extended to other peripheral tissues where it displays
regulatory effects on energy homeostasis and immune functions. Although different studies reported that
acute exercise can transiently increase circulating BDNF, possibly contributing to benefits at neurobiological
level, only few of them have investigated its biological sources, other the neurons, that may contribute to
these systemic changes
The aim of our study was therefore to verify whether an exercise-induced stress could modulate the
content of BDNF and its precursor form, pro-BDNF, also within the Peripheral Blood Mononuclear Cells
(PBMCs) population.
We examined the effect of two cycling sessions, at exhaustive (MAX) and moderate intensity (IAT), of ten
healthy young adults and one cycling session at high intensity (85% HRmax) of healthy old people (70-80
years old). For young subjects, physiological, biological and cognitive parameters were measured before
and after the sessions. In addition to the endogenous expression of BDNF, pro-BDNF and their low-affinity
receptor p75NTR, also the expression of anti-apoptotic (Bcl-xL) and stress response proteins (hsp 27, hsp
70, hsp 90, j christallin) were quantified. Further analysis included hematocrit, serum and plasma BDNF,
VEGF, PDGF-BB, bFGF, pro and anti-inflammatory cytokines. At cognitive level a validated neuropshycological test measuring working memory was administered to the subjects. While for the elderly
group the analysis included serum and plasma BDNF, BDNF and HSPs content in PBMCs.
For the younger group, a novel major finding was that both exercise sessions modulated the BDNF and proBDNF content within PBMCs during recovery. However, while the pro-BDNF increased after both sessions,
the BDNF quantity changed in different manner according the intensity of exercise: it decreased after MAX,
indicating a possible release with autocrine destination (p75NTR also increased) and, in an opposite way, it
increased after the IAT condition, indicating a possible adaptive mechanism in response to a only moderate
stress. These speculations were supported by the fact that stress response and anti apoptotic factors within
PBMCs were significantly regulated by the MAX condition, remaining instead stable after the IAT exercise.
Also the performance of the cognitive task was enhanced by acute exercise in a intensity-related modality.
For the elderly group however we failed to find such modulation of BDNF in PBMCs where only a trend for
an increased of hsp70 after 24 hours was observed.
These data indicate that also PBMCs could be partially responsible for the transient changes of systemic
BDNF, and introduce a possible novel role of this neurotrophin in the inflammatory-like response activated
by exhaustive exercise. Moreover type, intensity and duration of exercise session as well as the
characteristics of the subjects examined are important factors that need to be taken in consideration when
measuring the modulator effects of acute exercise on the immune–derived expression of neurotrophins.