Kチャネルの活性化は、ヒトにおける運動時の筋繊維の勧誘と局所的な血管拡張を結びつけている

K channel activation links local vasodilatation with muscle fibre recruitment during exercise in humans.

• Janée D Terwoord
• Christopher M Hearon
• Matthew L Racine
• Nathaniel B Ketelhut
• Gary J Luckasen
• Jennifer C Richards
• Frank A Dinenno

抄録

キーポイント:

運動時には、酸素供給が代謝需要を満たすのに十分な酸素供給量となるように、収縮活動と並行して働く骨格筋への血流が増加する。活動的な骨格筋繊維から放出されたKは、筋繊維の勧誘の程度に比例して血管拡張を促進する可能性がある。一旦放出されたKは、血流の増加を誘発するために血管系上の内向き整流K（K）チャネルを刺激する。本研究では、Kチャンネルが運動強度の増加に対する迅速な血管拡張反応を媒介することを実証した。また、Kチャネルが運動中の血管拡張を促進することも明らかにした。これらの結果は、Kが血管拡張の大きさと収縮活動の程度をカップリングする上で重要な役割を果たしていることを示唆している。最終的には、この研究から得られた知見は、ヒトにおける筋血流を調節するシグナル伝達機構の理解に役立つものである。

KEY POINTS: During exercise, blood flow to working skeletal muscle increases in parallel with contractile activity such that oxygen delivery is sufficient to meet metabolic demand. K released from active skeletal muscle fibres could facilitate vasodilatation in proportion to the degree of muscle fibre recruitment. Once released, K stimulates inwardly rectifying K (K ) channels on the vasculature to elicit an increase in blood flow. In the present study, we demonstrate that K channels mediate the rapid vasodilatory response to an increase in exercise intensity. We also show that K channels augment vasodilatation during exercise which demands greater muscle fibre recruitment independent of the total amount of work performed. These results suggest that K plays a key role in coupling the magnitude of vasodilatation to the degree of contractile activity. Ultimately, the findings from this study help us understand the signalling mechanisms that regulate muscle blood flow in humans.

要旨:

活動的な骨格筋への血流は、より大きな筋繊維の勧誘によって増強される。我々は、内向きに整流するカリウム（K）チャネルの活性化が、仕事率を増加させた場合（プロトコル1）または一定に保持した場合（プロトコル2）筋繊維の募集の上昇を伴う血管拡張の根底にあるかどうかを試験した。我々は、コントロール条件下でのリズミカルなハンドグリップ運動中と、Kチャンネルの局所的な阻害（BaCl動脈内投与）中に前腕部の血管コンダクタンス（FVC）を評価した。プロトコル1では、健康なボランティアは、3分間軽度のハンドグリップ運動を行った後、30秒のための中程度の強度に移行した。BaClは、中等度の負荷（ΔFVC、BaCl：-1±17 vs. コントロール：30±28mlmin 100mmHg ; n=9; P=0.004）での最初の収縮時の血管拡張を排除し、56±14％（n=9; P<0.0001）で曲線下の30s面積を減衰させた。プロトコル2では、参加者は、総収縮仕事は収縮周波数の逆数変化を介して一定に保持されている間に、筋繊維の募集が操作された2つの運動の試合を行った。1）低繊維の募集、12.5％最大随意収縮での収縮と、4秒ごとに1回と（2）高繊維の募集、25％最大随意収縮での収縮と、8秒ごとに1回。コントロール条件下では、定常状態のFVCは、繊維勧誘が多い場合と少ない場合で増加した(211±90 vs. 166±73mlmin⋅100mmHg ; n=10; P=0.0006)が、BaClでは繊維勧誘が多い場合と少ない場合の差は無くなった(134±59 vs. 134±63mlmin⋅100mmHg ; n=10; P=0.85)。これらの知見は、Kチャネルの活性化が運動時の局所的な血管拡張と筋繊維のリクルートを結びつける重要なメカニズムであることを示している。

ABSTRACT: Blood flow to active skeletal muscle is augmented with greater muscle fibre recruitment. We tested whether activation of inwardly rectifying potassium (K ) channels underlies vasodilatation with elevated muscle fibre recruitment when work rate is increased (Protocol 1) or held constant (Protocol 2). We assessed forearm vascular conductance (FVC) during rhythmic handgrip exercise under control conditions and during local inhibition of K channels (intra-arterial BaCl ). In Protocol 1, healthy volunteers performed mild handgrip exercise for 3 min, then transitioned to moderate intensity for 30 s. BaCl eliminated vasodilatation during the first contraction at the moderate workload (ΔFVC, BaCl : -1 ± 17 vs. control: 30 ± 28 ml min  100 mmHg ; n = 9; P = 0.004) and attenuated the 30 s area under the curve by 56 ± 14% (n = 9; P < 0.0001). In Protocol 2, participants performed two exercise bouts in which muscle fibre recruitment was manipulated while total contractile work was held constant via reciprocal changes in contraction frequency: (1) low fibre recruitment, with contractions at 12.5% maximal voluntary contraction once every 4 s and (2) high fibre recruitment, with contractions at 25% maximal voluntary contraction once every 8 s. Under control conditions, steady-state FVC was augmented in high vs. low fibre recruitment (211 ± 90 vs. 166 ± 73 ml min ⋅100 mmHg ; n = 10; P = 0.0006), whereas BaCl abolished the difference between high and low fibre recruitment (134 ± 59 vs. 134 ± 63 ml min  100 mmHg ; n = 10; P = 0.85). These findings demonstrate that K channel activation is a key mechanism linking local vasodilatation with muscle fibre recruitment during exercise.

© 2020 The Authors. The Journal of Physiology © 2020 The Physiological Society.