Metabolické a svalové adaptace během nečinnosti za 3 dny v klidu na lůžku

Odpočinek na lůžku je široce přijímaný experimentální model používaný ke studiu fyziologických adaptací na let do vesmíru, včetně ztráty kostní a svalové hmoty, posunu tekutin a kardiovaskulární dekondice. Obecně jsou účastníci požádáni, aby strávili určitou dobu na lůžku, přičemž všechny aktivity každodenního života se provádějí v horizontální poloze nebo naklonění hlavou dolů (HDT), čímž se minimalizuje použití všech svalů a dochází k významným fyziologickým adaptacím podobným těm, které byly pozorovány během vesmírný let. Byl proveden značný počet studií klidu na lůžku u lidí v rozmezí od 3 do 370 dnů. V současné době však existují mezery v našem chápání; rychlost a velikost fyziologické dysregulace, ke které dochází během skutečné a simulované mikrogravitace (jak většina dosavadních studií zvažovala hlavně časové body před a po spánku); místa a mechanismy kontrolující dysregulaci vyvolanou klidem na lůžku; zda procesy, které jsou základem akutních fyziologických změn, jsou stejné jako procesy pozorované v delším časovém horizontu. Zlepšení našeho porozumění těmto problémům by umožnilo, aby se intervence zaměřené na minimalizaci fyziologické dysregulace vyvolané odpočinkem na lůžku nejúčinněji zaměřily na časová období, kdy je míra nástupu fyziologické dysregulace pravděpodobně nejvyšší. To by pak přispělo k budoucímu úspěchu při prodlouženém letu člověka do vesmíru, např. pilotovanou misi na Mars, protože pochopení etiologie a časového průběhu fyziologické dysregulace, která doprovází dlouhodobé vystavení mikrogravitaci, by umožnilo zavést účinná protiopatření. Modely odpočinku na lůžku navíc představují jedinečnou příležitost studovat důsledky odpočinku na lůžku u těch, kteří mohou během hospitalizace trpět delšími obdobími nečinnosti v důsledku nemoci nebo úrazu.

Inaktivita je spojena s rozvojem inzulinové rezistence a přispívá k rozvoji mnoha moderních metabolických onemocnění včetně obezity, diabetu 2. typu, dyslipidémie a hypertenze (1,2); přičemž fyzická nečinnost je uváděna jako hlavní příčina 27 % diabetu a 30 % případů ischemické choroby srdeční. Nicméně časový průběh, relativní tkáňová specifičnost (játra versus svaly) a mechanický základ inzulinové rezistence vyvolané nečinností a její zvrácení remobilizací představují velké mezery v našem současném chápání. Kromě toho je inzulinová rezistence pozorováním s několika možnými etiologiemi a mechanismy zapojené do rozvoje tohoto stavu s krátkodobým upoutáním na lůžko/imobilizací se mohou lišit od mechanismů spojených s dlouhodobou/chronickou nečinností. Další výzkum v této oblasti je proto oprávněný.

Současná studie je součástí většího projektu, který zahrnuje 60denní, dlouhodobou studii odpočinku na lůžku prováděnou ve spolupráci s Evropskou kosmickou agenturou v zařízení Institut Médecine Physiologie Spatiale v Toulouse ve Francii a bude porovnána s měřeními provedený v experimentu s dlouhodobým klidem na lůžku.

fáze „záběhu“; Po úspěšném lékařském vyšetření zahájí účastníci „záběhovou“ fázi, během níž bude akcelerometrií hodnocena jejich obvyklá úroveň aktivity. Individuální energetické požadavky budou odhadnuty pomocí modifikované Harris-Benedictovy rovnice klidového metabolismu a faktoru úrovně fyzické aktivity a standardizované stravy (složení makronutrientů (vyjádřeno jako procento celkového příjmu energie v potravě) je ~55% sacharidů, ~30% tuku a ~15 % bílkovin) bude poskytnuto po dobu 3 dnů před prvním experimentálním sezením. Den před tímto sezením budou účastníci požádáni, aby se zdrželi jakéhokoli namáhavého cvičení a od půlnoci se postili, přičemž od té doby konzumují pouze vodu. Po příjezdu bude provedeno dvouenergetické rentgenové absorpční vyšetření (DEXA), aby bylo možné charakterizovat tukové hmoty celého těla a nohou. Účastník bude poté požádán, aby si lehl na nemocniční lůžko v poloze na zádech (jeden polštář) a měření svalového objemu a architektury bude stanoveno ultrazvukovým zobrazením m. vastus lateralis pomocí 100 mm lineární sondy 13-4 MHz. To poskytne globální reprezentaci anatomie čtyřhlavého svalu za účelem standardizace výpočtů příjmu glukózy nohou a stanovení příspěvku svalové hmoty a intramyocelulárních lipidů k ​​inzulínové rezistenci nohou. Vzorky svalové biopsie budou odebrány z vastus lateralis před a bezprostředně po 3 hodinách hyperinzulinemické euglykemické svorky (3). Svalové biopsie budou získány pomocí Bergströmovy techniky za sterilních podmínek po injekci lokálního anestetika. Bude zaveden anterográdní femorální žilní katétr (pomocí Seldingerovy techniky pod ultrazvukovým vedením), aby bylo možné analyzovat koncentraci glukózy v žilní krvi odtékající z nohy a porovnat ji s koncentrací glukózy ve vzorcích arterializované žilní krve (časové body 0, 150, 160, 170 a 180 minut). Současně s odběrem vzorku krve z femorální žilní krve bude provedeno hodnocení průtoku krve stehenní tepnou (mmol/min) pomocí ultrasonografie, aby bylo možné vypočítat příjem glukózy v nohou. Nepřímá kalorimetrie bude provedena před a v posledních 15 minutách 180minutové hyperinzulinemicko-euglykemické svorky.

Den po návštěvě „svorky“ bude provedeno skenování 3 Tesla magnetickou rezonanční spektroskopií (MRS), aby se vyhodnotil obsah intramyocelulárních lipidů (IMCL), extramyocelulárních lipidů (EMCL) a jaterních triglyceridů. Bude také provedeno vyšetření magnetickou rezonancí (MRI), aby se určila průřezová plocha svalu středního stehna a svalová hmota celého těla. Po vyšetření magnetickou rezonancí (MR) účastníci podstoupí krátké proprioceptivní hodnocení dolních končetin na speciálně navrženém somatosenzorickém přístroji zvaném Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Účastníci se postaví na přístroj a nechají každý kotník posunout o 5 různých úhlů inverze a jsou požádáni, aby ohodnotili stupeň polohy kotníku. Tato metoda byla ověřena pro stanovení proprioceptivní diskriminace a bude opakována po MR provedené 4. den, aby se posoudily rozdíly před a po odpočinku na lůžku.

Před začátkem období odpočinku na lůžku budou odebrány vzorky slin a moči pro měření pozadí značení kreatinu, kreatininu, vody a 3-methylhistidinu (MH) s deuteriem. Poté bude účastníkům poskytnut nápoj obsahující stabilní izotopové indikátory; deuterovaný kreatin (D3-Creatine 30 mg; k měření svalové hmoty celého těla) a deuterovaná neboli „těžká“ voda (D2O, 3 g/kg tělesné hmotnosti, rozděleno do 3 alikvotů požitých 20 minut od sebe, k měření syntézy svalových bílkovin (MPS) ) z měření začlenění svalové tkáně). Dvě hodiny po požití poslední dávky D2O bude odebrán vzorek slin, aby se změřila rovnováha D2O v celém bazénu tělesné vody. Sběr moči bude proveden 24 hodin po požití D3-kreatinu a vzorek moči bude odebrán za 36 hodin, 48 hodin a 72 hodin. Moč bude analyzována na D3-kreatin, aby se zohlednilo „přelévání“, a D3-kreatinin značení, které bude odrážet ředění značení v celém těle kreatinového poolu. Celková velikost tělesné zásoby kreatinu a svalová hmota budou vypočteny z obohacení D3-kreatininu v moči po 72 hodinách, po započtení jakékoli ztráty kreatinu D3 přímo do moči. Kromě toho 24 hodin před zahájením odpočinku na lůžku (den -1) účastníci požijí v nápoji indikátor Methyl-D3-3 methylhistidin (10 mg, D3-MH k měření myofibrilárního rozpadu svalů celého těla). Dalších 10 mg bude podáno 2. den klidu na lůžku s monitorováním krve 3. den.

Fáze klidu na lůžku; Účastníci dorazí do zařízení v 8:00 ráno 1. dne po nočním půstu od 22:00 předchozího večera. Pro simulaci fyziologických účinků mikrogravitace je lůžko udržováno v poloze sklonu hlavy dolů 6° (poloha HDT). Bardova mikrojehličková svalová biopsie bude provedena a zopakována následující ráno (2. den klidu na lůžku), aby se vyhodnotila kumulativní syntéza svalových proteinů během prvních 24 hodin klidu na lůžku. Každý den po biopsii bude do paže zavedena anterográdní žilní kanyla pro odběr krve každou hodinu po dobu celkem 6 hodin pro měření značení D3-MH.

Doplňování D2O (vypočteno z obratu vody) bude účastníkům poskytnuto v 1. a 3. den klidu na lůžku, aby se zachovalo obohacení D2O. Bude odebrán vzorek slin pro měření obohacení tělesné vody D2O a vzorek moči pro označení kreatininu D3.

Během odpočinku na lůžku zůstanou účastníci v posteli 24 hodin denně. Všechny aktivity každodenního života, jako jsou hygienické procedury, jídlo, čtení a „chození“ na toaletu (používání podložních mís a lahví na moč), se odehrávají při zachování polohy hlavy dolů po dobu trvání studie. Účastníci se mohou pohybovat ze strany na stranu (z polohy na zádech do břišní nebo laterální polohy), ale nesmí sedět ani stát. Použití jednoho malého plochého polštáře je povoleno, pokud se ramena stále dotýkají matrace. Dietní příjem bude kontrolován, přičemž pro stanovení denní potřeby energetického příjmu bude použit multiplikátor aktivity 1,2. Pět denních jídel (snídaně, dopolední svačina, oběd, odpolední svačina a večeře) se podává ve stejnou denní dobu, po celou dobu. Účastníci jsou vyzýváni, aby zkonzumovali veškeré poskytnuté jídlo. Mohou spotřebovat méně, než je stanoveno, ale nedostanou žádnou další potravu. Každá potravina se zváží na přesné váze (±0,1 g) a tam, kde účastníci nesnědí veškeré dané jídlo, nezkonzumované potraviny se znovu zváží a hodnota se odečte od počáteční hmotnosti, aby se zajistil skutečný příjem potravy. Subjekty dodržují přísný cyklus dne a noci. Jsou probuzeni v 7:00 a světla zhasnou ve 23:00.

Ráno 4. dne, po celonočním hladovění, účastníci podstoupí druhý „svorkový“ den, jak je popsáno výše (ultrazvukové skenování stehna, nepřímá kalorimetrie, kanylace femorální žíly, svalové biopsie a euglykemická hyperinzulinemická svorka). Poté bude proveden postupný, kontrolovaný návrat do „vzpřímené polohy“ na lůžku s nepřetržitým kardiovaskulárním monitorováním, aby se zabránilo posturální hypotenzi. Účastníci zůstanou v posteli, ale budou moci sedět ve vzpřímené poloze až do rána dne 5.

Fáze po odpočinku na lůžku; Ráno 5. dne se účastníci přesunou (bez zatížení) na invalidní vozík a poté se převezou do MR skeneru 3 Tesla pro MR skeny po odpočinku na lůžku. Budou muset držet půst od 22:00 předchozího večera. Po MR skenech budou účastníci nakrmeni a bude jim umožněn návrat do stání v kontrolovaném prostředí. Poté podstoupí rehabilitaci pod dohledem v tělocvičně University of Nottingham zahrnující 6 sérií po 8 opakováních (při 75 % maxima) kontrakcí extenze kolena na jedné noze na náhodně přidělené noze, protože se ukázalo, že poskytuje anabolický stimul. (4) a poté se smí vrátit domů. Rehabilitační sezení bude trvat přibližně 30 minut. Vrátí se 6. a 7. den doby odpočinku bez lůžka, aby podstoupili další rehabilitační sezení pod dohledem, jak je uvedeno výše. Během fáze odpočinku po lůžku bude zachován standardizovaný příjem potravy. V 08:00 ráno 8. dne se zúčastní laboratoře, aby podstoupili závěrečnou „svorkovou“ návštěvu sestávající ze stejných postupů popsaných výše, s následující modifikací; Bergströmova svalová biopsie bude provedena na noze, která prošla rehabilitačním cvičením před a po euglykemické hyperinzulinemické svorke. Bardova mikrojehlová biopsie bude provedena na kontralaterální noze pouze před 3hodinovou svorkou, aby se porovnala syntéza svalových bílkovin mezi nohama. Nakonec, v den 9, budou MRS a MRI skeny provedeny stejným způsobem, jak je popsáno výše. Až bude proveden poslední MRS sken, bude to konec protokolu studie.