High-energy phosphate metabolism in the exercising muscle of patients with peripheral arterial disease

Patients with peripheral arterial disease (PAD) suffer from impaired muscle function due to insufficient oxygen supply during exercise, mitochondrial damages, unfavourable muscle fibre type distribution and impaired exercise tolerance. These factors influence the symptoms as well as the quality of life in PAD patients and are closely connected to failures of high-energy phosphate metabolism. At onset of muscle exercise, the mitochondrial capacity cannot match the increased demand. The oxygen supply via blood flow must be increased. Meanwhile, anaerobic glycolysis and internal stores of oxygen like mixed venous blood and myoglobin as well as internal stores of high-energy phosphates like phosphocreatine (PCr) are adducted for the provision of additional adenosine-triphosphate (ATP), which is consumed by the ATPase at the myofibrils in order to fuel muscle contraction. Since the ATP production is insufficient, this phase (anaerobic phase) is characterized by a progressive decrease in PCr, which can be accurately measured by phosphorus 31 magnetic resonance spectroscopy (³¹p MRS). If the oxygen supply is improved, the mitochondrial capacity can match the increased metabolic demand. This phase is the aerobic phase, which is indicated by a steady-state of PCr hydrolysis. In PAD patients or experimental models of peripheral ischemia, the anaerobic phase is prolonged or does not pass into the aerobic phase resulting in exercise abortion. This review summarizes the results of ³¹p MRS studies investigating the high-energy phosphate metabolism during ischemic exercise in healthy humans and during ramp or incremental exercise in PAD patients.

Patienten mit peripher arterieller Verschlusskrankheit (pAVK) leiden an einer eingeschränkten Muskelfunktion aufgrund von ungenügender Sauerstoffversorgung während einer Muskelbelastung, mitochondrialen Schäden, einer ungünstigen Muskelfasertypverteilung und einer eingeschränkten Belastungstoleranz. Diese Faktoren beeinflussen die Symptomatik und Lebensqualität bei pAVK Patienten und sind eng verbunden mit Störungen im Metabolismus der energiereichen Phosphate. Am Anfang einer Muskelbelastung kann die mitochondriale Kapazität nicht den erhöhten metabolischen Anforderungen nachkommen. Die Sauerstoffversorgung über den Blutfluss muss erhöht werden. Inzwischen werden die anaerobe Glykolyse, die internen Sauerstoffspeicher wie gemischtes venöses Blut oder Myoglobin sowie die internen Speicher an energiereichen Phosphate wie Phosphokreatin (PCr) für die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) herangezogen, das zum Antrieb der Muskelkontraktion gebraucht wird. Da die anaerobe ATP Produktion ungenügend ist, ist diese anaerobe Phase von einem progressiven PCr Abfall charakterisiert, was genau von der Phosphor 31 Magnetresonanz Spektroskopie (³¹p MRS) dargestellt werden kann. Wenn die Sauerstoffversorgung verbessert ist, kann die mitochondriale Kapazität die erhöhten metabolischen Anforderungen erfüllen. Diese Phase ist die aerobe Phase, die durch einen Gleichgewichtszustand des PCr Zerfalls gekennzeichnet ist. Bei pAVK Patienten oder experimentellen Ischämiemodellen ist die anaerobe Phase verlängert oder erreicht nie die aerobe Phase, was letztendlich zum Abbruch der Muskelbelastung führt. Dieser Übersichtsartikel fasst die Ergebnisse von ³¹p MRS Studien zusammen, die den Metabolismus der energiereichen Phosphate während einer ischämischen Belastung bei gesunden Menschen oder während einer progressiven Belastung bei pAVK Patienten untersucht haben.