La fragilidad es un importante síndrome asociado al envejecimiento que se caracteriza por una mayor vulnerabilidad a las agresiones externas como consecuencia de la alteración de las reservas fisiológicas de múltiples sistemas. La pérdida de masa muscular, fuerza muscular y capacidad cardiorrespiratoria asociada a la fragilidad aumenta el riesgo de discapacidad, institucionalización, hospitalización y muerte. El objetivo general de esta tesis doctoral fue estudiar los mecanismos moleculares implicados en la fragilidad y posibles intervenciones que prevengan o retrasen su aparición. Asimismo, consideramos útil la identificación de biomarcadores tempranos de fragilidad para su detección temprana y para predecir trayectorias funcionales de las personas mayores. Los objetivos específicos fueron los siguientes: (i) estudiar la implicación de la disfunción mitocondrial muscular y la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) en la fragilidad; (ii) estudiar los efectos del ejercicio (específicamente, un novedoso programa de entrenamiento interválico multicomponente de alta intensidad) sobre parámetros funcionales, adaptaciones mitocondriales y la actividad de G6PD en ratones machos y hembras viejos como estrategia fisiológica para equiparar al ratón WT con un modelo de robustez (el ratón G6PD-Tg); (iii) estudiar el papel de la G6PD y el preacondicionamiento físico en la regeneración musculoesquelética después del daño inducido por el ejercicio; y (iv) estudiar si un programa de entrenamiento físico en ratones viejos que sobreexpresan G6PD permite mejorar su función física, así como estudiar sus adaptaciones mitocondriales al ejercicio. Para dar respuesta a cada objetivo específico, realizamos diferentes estudios: (i) en el primer estudio, se tomaron muestras de biopsias de músculo esquelético humano durante cirugía traumatológica u ortopédica de adultos jóvenes y mayores con diferentes estados de función física, y se analizó la relación entre la función muscular, la función mitocondrial y la G6PD; (ii) en el segundo estudio, se utilizaron cohortes de ratones C57BL/6J y G6PD-Tg de 23 meses de edad, tanto hembras como machos, para estudiar los efectos de un programa de entrenamiento interválico multicomponente de alta intensidad sobre la función física, parámetros mitocondriales y los niveles de actividad de G6PD; (iii) en el tercer estudio, estudiamos muestras musculoesqueléticas obtenidas tanto de ratones jóvenes C57BL/6J como de humanos después de realizar una sesión de ejercicio excéntrico y en diferentes momentos post-ejercicio, y también examinamos los efectos del entrenamiento excéntrico de 5 días y los niveles de G6PD sobre el daño muscular; (iv) en el cuarto estudio, se utilizaron cohortes de ratones C57BL/6J y G6PD-Tg de 23 meses de edad, tanto hembras como machos, para estudiar si un programa de entrenamiento interválico multicomponente de alta intensidad en ratones viejos que sobreexpresaban G6PD permitía mejorar su función física, así como estudiar sus adaptaciones mitocondriales al ejercicio. La principal conclusión de esta tesis doctoral es que el envejecimiento es un proceso natural e inevitable, pero la fragilidad no lo es. La disfunción mitocondrial está más asociada con la fragilidad que con el proceso de envejecimiento en sí, mientras que preservar la función mitocondrial se asocia con el mantenimiento de la función muscular. En este sentido, el entrenamiento interválico multicomponente de alta intensidad constituye una estrategia eficaz para mejorar la función y el contenido mitocondrial, reducir el estrés y el daño oxidativo, mantener la calidad y cantidad del músculo esquelético y retrasar la aparición de la fragilidad. Las conclusiones específicas son las siguientes: (i) la pérdida de la función y el contenido de las mitocondrias del músculo esquelético asociada con la fragilidad y no con el envejecimiento en sí se relaciona con una pérdida de la calidad y cantidad muscular y una disminución de la actividad de la G6PD; (ii) el novedoso protocolo de entrenamiento físico que proponemos constituye una estrategia fisiológica óptima para equiparar el ratón viejo WT con el ratón viejo G6PD-Tg mediante la mejora del rendimiento físico, la función y el contenido mitocondrial y los niveles de actividad de G6PD; (iii) el preacondicionamiento físico después de un entrenamiento excéntrico de 5 días aumenta la actividad y expresión de G6PD, lo que en conjunto confiere protección al músculo esquelético al reducir el daño inducido por una sola sesión de ejercicio excéntrico; y (iv) la sobreexpresión de G6PD potencia las adaptaciones físicas y moleculares al entrenamiento y aumenta la protección contra la fragilidad al mejorar el contenido y la función de las mitocondrias y reducir el daño oxidativo.

Frailty is a major age-associated syndrome characterised by an increased vulnerability to external aggressions as a consequence of the alteration of the physiological reserves of multiple systems. Frailty-associated loss of muscle mass, muscle strength, and cardio-respiratory fitness increases the risk of disability, institutionalization, hospitalization, and death. The general objective of this PhD thesis was to study the molecular mechanisms involved in frailty and possible interventions that prevent, or delay, its onset. Likewise, we considered the identification of early frailty biomarkers useful for its early detection, and useful in the prediction of old individuals’ functional trajectories. The specific objectives were the following: (i) to study the involvement of muscle mitochondrial dysfunction and glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PD) in frailty in humans; (ii) to study the effects of exercise (specifically, a novel high-intensity multicomponent interval training program) on functional parameters, mitochondrial adaptations, and G6PD activity in male and female mice as a physiological strategy to equate the WT mouse with a model of robustness (G6PD-Tg mouse); (iii) to study the role of G6PD and exercise preconditioning on musculoskeletal regeneration after exercise-induced damage; and (iv) to study whether a physical training program in old mice that overexpress G6PD allows to improve their physical function, as well as to study their mitochondrial adaptations to exercise. To respond to each specific objective, we carried out different studies: (i) in the first study, skeletal muscle biopsies samples were taken during trauma or orthopaedic surgery from young and old adults with different physical function status, and the relationship between muscle function, mitochondrial function and G6PD was analysed; (ii) in the second study, cohorts of 23-month-old C57BL/6J and G6PD-Tg mice, both females and males, were used to study the effects of a high-intensity multicomponent interval training program on physical function, mitochondrial parameters, and G6PD activity levels; (iii) in the third study, we studied musculoskeletal samples obtained from both young C57BL/6J mice and humans after performing one bout of eccentric exercise and at different time points, as well as we examined the effects of 5-days eccentric training and G6PD levels on muscle damage; (iv) in the fourth study, cohorts of 23-month-old C57BL/6J and G6PD-Tg mice, both females and males, were used to study whether a high-intensity multicomponent interval training program in old mice that overexpressed G6PD allowed to improve their physical function, as well as to study their mitochondrial adaptations to exercise. The main conclusion of this PhD thesis is that ageing is a natural and inevitable process, but frailty is not. Mitochondrial dysfunction is more associated with frailty than with the ageing process itself, while preserving mitochondrial function is associated with maintenance of muscle function. In this sense, high-intensity interval multicomponent training constitutes an effective strategy in improving mitochondrial function and content, reducing oxidative stress and damage, maintaining the quality and quantity of skeletal muscle, and delaying the onset of frailty. The specific conclusions are the following: (i) the loss in the function and content of skeletal muscle mitochondria associated with frailty and not with ageing itself is associated with a loss in muscle quality and quantity and a decrease in G6PD activity; (ii) the novel exercise training protocol is an optimal physiological strategy to equate the old WT mouse with the old G6PD-Tg mouse by improving physical performance, mitochondrial function and content, and G6PD activity levels; (iii) exercise preconditioning after 5-day eccentric training increases G6PD activity and expression, which together confer protection to skeletal muscle by reducing the damage induced by a single session of eccentric exercise; and (iv) overexpressing G6PD potentiates physical and molecular adaptations to training and increases protection against frailty by improving mitochondrial content and function and reducing oxidative damage.