Exercise and supplementation with taurine in the elderly: effects on immunity and blood-brain barrier

Abstract

BACKGROUND: The blood-brain barrier (BBB) does not allow any bulk flow of substances between the blood and the brain, and acts as a "gate" that protects the neurons. Dysfunctions in this structure are directly associated with the appearance of neurodegenerative diseases, mainly in the elderly. The widening of inflammation and oxidative processes that occur with aging decrease the BBB integrity and contribute to increased degeneration. Both exercise and nutritional interventions have proven to be effective in promoting health benefits. However, their effects on the integrity of the BBB are still unknown in humans. The objectives of this work were: to study the effect of exercise and supplementation with taurine on pro-and inflammatory cytokines and oxidative stress enzymes (such as IL-1β, IL-1ra, TNF-α, IL-10, IL-17, myeloperoxidase and matrix metalloproteinase-9), peripheral markers of blood-brain barrier leakage and neuronal damage (S100β and neuronal specific enolase - NSE), global cognition, and levels of physical fitness in elderly women. METHODS: A total of forty-eight (n=48) institutionalized elderly women (age 83,58±6,9 years) participated in the study and were divided into four groups: combined exercise training (CET: n=13), taurine supplementation (TAU: n=12), exercise training in association with taurine (CET+TAU: n=11) and a control group (CG: n=12). The combined exercise training (done by participants of CET and CET+TAU) was apply 2 times per week, in non-consecutive days, and consisted of strength training with elastic bands, aerobic and stretching exercises. The supplementation with taurine (done in TAU and CET+TAU) was given (1,5g/once a day) during 14 weeks. All interventions lasted 14 weeks and all subjects were evaluated before and after this period. The CG did not undergo exercise or supplementation programs, but received care as usual in the nursing home. Plasma and serum concentrations were used to analyze the biological markers by enzyme linked immunosorbent assay (ELISA). Physical fitness was assessed using the senior Physical Fitness battery test, and the assessment of global cognition using the MiniMental State Examination (MMSE), and Montreal Cognitive Assessment (MoCA) tests. RESULTS: repeated measures ANOVA revealed that was a treatment*group effect on S100β levels. Afterwards, univariate analysis demonstrated that, despite non-significant, this protein decreased in all interventions and increase in the CG. No changes were observed in NSE levels despite a subtle increase in the CG. For the CET group reductions of TNF-α, IL-1β/IL-1ra and TNF-α/IL-10 ratios were observed (p<0.05). In the TAU group decreases the IL-1β/IL-1ra ratio, MPO and MMP-9 were observed after the intervention (p<0.05). No significant changes were observed in CET+TAU group for any of the biological parameters studied, however, it was the only group to significantly increase the MMSE score, while the CG presented decrease in both MMSE and MoCA (p<0.05). Levels of physical fitness were improved in CET+TAU in two tests (8-foot-up and go test, and 2 minutes Step test, p<0.05), and no significant changes were observed in the other groups. Multiple regression analysis showed that group membership influenced the changes in S100β, together with a trend for an impact of baseline comorbidity index and changes in IL-1β observed for S100β (p=0.054). CONCLUSION: the practice of exercise or supplementation with taurine can decrease markers of inflammation and oxidative stress, and maintain the BBB integrity in institutionalized elderly women. Exercise also maintain/improve cognition and physical fitness in this sample. It seems that the baseline comorbidity index influences the magnitude of effects of both (exercise and supplementation) interventions. The exercise (alone) presented the greater magnitude of effect in maintaining the BBB integrity, showing that it is an important tool to improve brain health even when started at advanced ages.

INTRODUÇÃO: A barreira hematoencefálica (BHE) não permite o fluxo em massa de substâncias entre a circulação sanguínea periférica e o cérebro, protegendo assim os neurônios. As disfunções nesta estrutura estão diretamente associadas com o aparecimento de doenças neurodegenerativas, principalmente em idosos. O aumento da inflamação crônica e do stress oxidativo, que ocorrem com o envelhecimento, diminuem a integridade da BHE e contribuem para a sua degeneração. Ambas as práticas, exercício e intervenção nutricional, tem demonstrado eficácia em promover benefícios para a saúde, no entanto, seus efeitos na integridade da BHE são ainda desconhecidos em humanos. Os objetivos deste trabalho foram: estudar os efeitos do exercício e da suplementação com taurina em citocinas pró e anti-inflamatórias e enzimas oxidativas (tais como IL-1β, IL-1ra, TNF-α, IL-10, IL-17, mieloperoxidase – MPO e metaloproteinase de matrix-9 – MMP-9), marcadores periféricos de lesão na barreira hematoencefálica (BBB) e lesão neuronal (S100β e enolase neuronal específica – NSE), cognição global (Mini Exame do Estado Mental – MMSE e MoCA), e níveis de aptidão física em mulheres idosas. MÉTODOS: um total de quarenta e oito (n=48) idosas institucionalizadas (média de idade 83,58±6,9 anos) participaram do estudo e foram divididas em quatro grupos: treino com exercício combinado (CET: n=13), suplementação com taurina (TAU: n=12), treino com exercício combinado com a suplementação (CET+TAU: n=11) e grupo controlo (CG: n=12). O treinamento de exercício combinado (realizado pelos indivíduos dos grupos CET e CET+TAU), ocorreu duas vezes por semana, com intervalo de pelo menos um dia entre as sessões, e envolveu atividades de treino de força com bandas elásticas, exercícios aeróbios e de flexibilidade. A suplementação com taurina (ingerida pelos indivíduos dos grupos TAU e CET+TAU) foi administrada (1,5g/dia) todos os dias, durante 14 semanas. Todas as intervenções duraram 14 semanas e todos os sujeitos foram avaliados antes e após esse período. Os indivíduos do CG não estiveram envolvidos em nenhum programa de atividade física ou de suplementação, mas continuaram recebendo os cuidados usuais no lar. Amostras de soro e plasma foram utilizadas para quantificar a concentração dos marcadores biológicos propostos para o trabalho através de ELISA. A bateria de testes de aptidão física para idosos (Senior Physical Fitness test), e a aplicação de questionário para recolha de dados de cognição global (Mini Exame do Estado Mental – MMSE, e Montreal Cognitive Assessment – MoCA), também foram administrados em ambos os momentos. RESULTADOS: a aplicação de ANOVA de medidas repetidas mostrou um efeito significativo para a interação ente tratamento*grupo nos níveis de S100β. A análise univariada mostrou que, apesar de não significativo, os níveis dessa proteína caíram em todos os grupos de intervenção, e um aumento foi observado no CG. Além disso, não foram observadas mudanças nos índices de NSE em todos os grupos, apesar de um subtil aumento no CG. O grupo CET reduziu significativamente os índices de TNF-α, e os rácios de IL-1β/IL-1ra e TNF-α/IL-10 (p<0.05). O grupo TAU apresentou um decréscimo no rácio IL-1β/IL-1ra, bem como na MPO e MMP-9 (p<0.05). Não foram observadas mudanças significativas no grupo CET+TAU para os parâmetros biológicos avaliados, entretanto, este foi o único grupo que apresentou significativo incremento nos valores de MMSE, enquanto que o CG apresentou uma ligeira queda neste teste e nos índices do MoCA (p<0.05). Além disso, os níveis de aptidão física melhoraram no grupo CET+TAU em dois testes (8-foot-up and go test, e 2 minutes Step test, p<0.05), e não foram observadas mudanças significativas nos outros grupos. A regressão linear múltipla mostrou que o grupo influencia as mudanças observadas na S100β, entretanto, existiu também uma tendência para um impacto do índice de comorbidade e a variação da IL-1β interferirem nessas mudanças (p=0.054). CONCLUSÃO: a prática de exercício físico ou suplementação com taurina podem diminuir a concentração de citocinas inflamatórias e de enzimas oxidativas, além de manter a integridade da BBB em idosas institucionalizadas. O exercício ainda manteve/melhorou a cognição e a aptidão física dessa amostra. Parece ainda haver uma influência do índice de comorbidade na magnitude dos efeitos mediados por ambas (exercício e suplementação) intervenções. O exercício (sozinho) apresentou as maiores magnitudes de efeito na manutenção da integridade da BBB, mostrando que este é uma importante ferramenta para promover a saúde do cérebro, mesmo quando iniciado em idades avançadas.