Neinvazivní přístupy k identifikaci příčiny únavy u pacientů se zánětlivým onemocněním střev. (IBD Fatigue)

Základní informace Únava při zánětlivém onemocnění střev (IBD) je spolu s průjmem nejčastějším zdravotním příznakem u pacientů s aktivní Crohnovou chorobou (CD) a druhým nejčastějším onemocněním po artralgii u pacientů s CD v remisi. Partnerství pro stanovení priorit IBD mezi James Lind Alliance a British Society of Gastroenterology zdůraznilo, že únava IBD je 10 hlavní prioritou britského výzkumu.

Prevalence únavy se pohybuje v rozmezí 41–48 % v remisi a zvyšuje se až na 86 %, když je onemocnění aktivní. Chronická únava je spojena se zhoršenou kvalitou života související se zdravím u IBD a sníženou fyzickou aktivitou, která u pediatrických kohort hraje hlavní roli v normálním růstu. Při absenci reverzibilních klinických příčin, jako je anémie, zánětlivá zátěž nebo nedostatek živin, není dosud jasné, co způsobuje únavu u těchto pacientů. Současné přístupy jsou omezené v poskytování vodítek k potenciálním terapeutickým přístupům nebo přesnému klinickému hodnocení pacientů s CD. To je pravděpodobně způsobeno nedostatkem vícesložkového přístupu a nízkou metodologickou citlivostí a spolehlivostí při posuzování únavy. Pro únavu IBD byl navržen vícerozměrný koncept fyzických, kognitivních a afektivních složek. Přesto zůstává nejasné, jak léčit únavu IBD. Cvičebná terapie, psychosociální intervence a terapie zaměřená na řešení jsou všechny navrženy jako možnosti léčby, ale žádná se neprokázala jako přesvědčivě účinná.

Únava vzniká z periferních a centrálních procesů, které jsou oba stejně důležité. Zatímco periferní únava je připisována svalové etiologii, centrální únava je progresivní cvičením indukované snížení dobrovolné aktivace do svalu v důsledku selhání centrálního nervového systému (CNS). Současné přístupy byly omezené tím, že nedokázaly adekvátně kvantifikovat periferní únavu na svalové úrovni a centrální únavu na úrovni CNS.

Periferní únava: potřeba svalové aktivity

Fyzická únava je spojena se snížením svalové hmoty a kvality (sarkopenie) a následně sníženou funkcí svalů. Mezi hnací síly úbytku svalové hmoty patří fyzická nečinnost a anabolický odpor, které do značné míry otupují stimulační účinek proteinové výživy na syntézu svalových proteinů. V souladu s tím pacienti s aktivní CD vykazují signifikantní pokles exprese hypertrofických signálních drah kosterního svalstva, ale žádné změny v expresi signálů atrofie.

Špatná kvalita svalů je důležitým hnacím motorem metabolické dysfunkce, která je často přehlížena jako hnací síla periferní únavy. V předběžných nepublikovaných datech výzkumníci poprvé prokázali, že kosterní svalstvo pacientů s aktivní CD vykazuje snížené vychytávání glukózy v reakci na podávání glukózy, což naznačuje sníženou kvalitu svalového metabolismu u pacientů s CD.

U unavených subjektů s IBD jsou střední až velké velikosti účinku pro zhoršenou aerobní zdatnost (VO2max), svalovou sílu a fyzickou aktivitu pozorovány u subjektů s únavou ve srovnání s subjekty bez hlášené únavy v anamnéze a normální populací. Fyzická inaktivita u klidového onemocnění CD by mohla být vysvětlením podporujícím tato pozorování, poukazující na nečinnost sekundární k zátěži onemocněním, která je etiologií únavy u CD, stejně jako u chronické obstrukční plicní nemoci (CHOPN). Fyzická inaktivita již byla prokázána u CD v pediatrické i dospělé kohortě a významně korelovala s aktivitou onemocnění, ale stále převládá v remisi. Ačkoli by to mohlo implikovat cirkularitu v etiologii únavy v kontextu fyzické nečinnosti, je nepravděpodobné, že by tyto dva faktory měly jednoduchý přímý vztah příčiny a účinku. Ve skutečnosti, když se mezi dobrovolníky sladí obvyklá fyzická aktivita, únava kosterního svalstva stále převládá u CD, a to převážně u těch subjektů, které si stěžují na únavu. Souhrnně tyto údaje naznačují, že jak snížená kardiorespirační zdatnost, tak dekondice periferních svalů (pravděpodobně spojená se sníženou svalovou mitochondriální hustotou) přispívají k časnému rozvoji únavy u pacientů s IBD, kteří uvádějí příznaky únavy.

Centrální únava: potřeba kardiorespirační regulace

Kosterní svalstvo, kardio-respirační systém a CNS jsou vzájemně propojeny. V předběžných datech se poprvé ukázalo, že je možné hodnotit změnu mozkové perfuze (nebo cerebrálního průtoku krve; CBF), což je nepřímé měření hemodynamického měření aktivity mozkových neuronů, pomocí funkčních technik MRI, ve vztahu k snížená kardiovaskulární zdatnost s věkem. Tyto údaje ukázaly, že CBF měřený přímo pomocí arteriálního spinového značení (ASL) nebo nepřímo pomocí krevního kyslíku závislého (BOLD) byl snížen u starších lidí se sníženou kardiorespirační zdatností, kteří jsou pravděpodobně únavnější než mladí dobrovolníci. To naznačuje, že spojení mezi CBF a mozkovou aktivitou může být modulováno srdečním výdejem, a tak může být upraveno tak, aby se zlepšila funkce mozku spojená s centrální únavou u pacientů s CD.

To zdůrazňuje potenciál neinvazivních funkčních technik MRI mozku ke stanovení účinku mozkové perfuze během cvičení na centrální únavu u pacientů s CD. Kromě toho by tyto kvantitativní přístupy mohly být použity k určení, zda zlepšení kardiovaskulární zdatnosti a vhodné následné cvičení nebo farmakologické intervence mohou změnit centrální únavu.

1.Cíle a účel navrhovaného šetření

Hypotéza: Vyšetřovatelé předpokládají, že etiologie únavy IBD spočívá společně v dekondici periferních svalů a centrální únavě mozku, která je sekundární ke snížení kardio-respirační zdatnosti a/nebo srdečního výdeje, takže jak centrální, tak periferní únava přispívají k únavě. vývoj u IBD.

Cíle:

K vyřešení této hypotézy se výzkumníci zaměřují na nábor skupiny unavených a neunavených pacientů s CD v remisi a zdravých dobrovolníků odpovídajících věku, pohlaví, svalové hmotě a fyzické aktivitě. Příznaky únavy budou definovány pomocí příslušných dotazníků při screeningu. Vyšetřovatelé následně objektivně kvantifikují svalovou sílu extenzorů kolena během maximální dobrovolné izometrické kontrakce a rozvoj únavy ve skupině čtyřhlavého svalu. Ten bude definován jako ztráta rozvoje svalového vrcholu a točivého momentu během 20 po sobě jdoucích izokinetických extenzí kolene. Budou zkoumány periferní (svalové) a centrální (CNS) role v etiologii únavy. Dekondice periferních svalů bude zkoumána kvantifikací resyntézy svalového fosfokreatinu (PCr) během regenerace po cvičení pomocí 31 fosforové MRS, zatímco potenciál centrální únavy bude zkoumán pomocí různých měření perfuze CNS a frakční extrakce mozkového kyslíku pomocí MRI.

Podrobný plán vyšetřování a vědeckých postupů/metodiky

Výzkumníci se zaměřují na nábor 32 pacientů s CD v remisi, s únavou IBD v anamnéze i bez ní (n=16 pro kohortu únavy IBD a n=16 pro kohortu bez únavy IBD) během 36 měsíců. Tyto kohorty budou porovnány s 16 zdravými kontrolami odpovídajícími věku, pohlaví, svalové hmotě a fyzické aktivitě (z našich stávajících Nottingham Digestive Diseases Biomedical Research Unit a databází MRC/ARUK), aby prošly experimentálním protokolem uvedeným níže. Výzkumníci budou specificky odpovídat fyzické aktivitě, aby prozkoumali její potenciální primární účinek na únavu.

Cíl 1 (1. den): Zjistit svalovou sílu, únavu a kardiorespirační zdatnost.

Po souhlasu provedou dobrovolníci s CD a zdravými kontrolními skupinami 3 maximální izometrická extenze kolenního svalu čtyřhlavého stehenního svalu (každá oddělená 30 s) ke stanovení svalové síly. Poté dobrovolníci provedou 20 maximálních extenzí kolen na jedné noze na izokinetickém dynomometru Cybex (Cybex Norm, USA) při konstantní úhlové rychlosti 90 stupňů za sekundu, aby určili vývoj svalového točivého momentu. Každá maximální dobrovolná kontrakce bude zahájena z polohy 90° flexe kolene a bude pokračovat až do bodu úplné extenze kolena. Po každé kontrakci se noha pasivně vrátí do výchozí polohy (přibližně 1,1 s), ze které bude okamžitě zahájena další kontrakce. Výsledná míra a definice zlatého standardu únavy v tomto cíli budou definovány jako pokles tvorby špičkového točivého momentu pro každou kontrakci během 20 extenzí kolena. Již dříve bylo prokázáno, že maximální dobrovolné kontrakce při této rychlosti vedou k náboru svalových vláken typu I i typu II ve skupině čtyřhlavého svalu. O třicet minut později podstoupí dobrovolníci kontinuální, postupný, zátěžový test vleže na zádech pomocí krokového ergometru kompatibilního s MR (diagnostický pedál Ergospect). Cvičení bude zahájeno při nízké zátěži, která se bude zvyšovat každé 3 minuty, aby se určil vrchol VO2 během cvičení vleže na zádech pomocí on-line analýzy vydechovaného plynu (Cosmed, Řím, Itálie). Produkce oxidu uhličitého (CO2) a spotřeba kyslíku (O2) budou měřeny během testu a použity k měření maximálního příjmu kyslíku a poměru výměny dýchacích cest (RER). Tyto údaje budou normalizovány podle tělesného složení, jak bylo naměřeno pomocí rentgenové absorbometrie s duální energií (DEXA; Lunar Prodigy, GE Medical Systems, Bucks, UK) a poskytnou zlatý standard měření kardiorespirační (nebo aerobní) zdatnosti.

Cíl 2 (den 2): Zjistit mozkovou perfuzi a centrální únavu.

Nedávno, ve spolupráci s výzkumníky ze Sir Peter Mansfield Imaging Center na University of Nottingham, výzkumníci vyvinuli protokol pro kvantifikaci kortikální vaskulární reakce na cvičení u dobrovolníků a její modulaci stárnutí a kardiorespirační zdatnosti. Zde bude stejný přístup použit k posouzení kortikální vaskulární reakce na cvičení v oblastech mozku spojených s centrální únavou pacientů s CD.

Ke studiu tohoto mechanismu u pacientů s CD navrhují vědci měřit srdeční výdej a mozkovou a regionální perfuzi pomocí měření na hladině kyslíku závislého v krvi (BOLD) a arteriálního spin-labellingu (ASL)-MRI a také pomocí frakční extrakce kyslíku pomocí TRUST-MRI během cvičení kvadricepsu vleže na zádech s MR kompatibilním ergometrem (diagnostický pedál Ergospect) při daných hodnotách relativního VO2max (měřeno v Cíli 1).

Tento multimodální přístup určí potenciální nespřažení mezi mozkovou perfuzí a neuronální aktivitou a roli centrální hypoxémie v centrální únavě pacientů s IBD ve srovnání se zdravými kontrolami. Dále budou tato data korelována s kardiorespirační zdatností, svalovou silou a únavou a určí převládající roli centrálních procesů při únavě pacientů s IBD. Pokud jsou tato měření mozkových cév spojena s rozvojem únavy, pak by tento index neurovaskulární vazby mohl těžit z cvičebního tréninku podobným způsobem jako u svalové tkáně.

Cíl 3 (den 2): Zjistit svalovou dekondici.

Pro udržení energie (ATP) během cvičení reguluje kosterní sval oxidativní (mitochondriální) a nemitochondriální produkci ATP. U zdravých jedinců je relativní příspěvek nemitochondriální produkce ATP k celkové produkci energie obecně dán intenzitou cvičení, která určuje velikost akumulace metabolických vedlejších produktů, které jsou přímo spojeny se svalovým nepohodlím a únavou. U chorobných stavů byla zvýšená únava a bolest svalů připisována sníženému prokrvení svalů a/nebo snížené mitochondriální hmotě.

K oddělení těchto dvou procesů u pacientů s CD bude průtok krve končetinou uzavřen manžetou, zatímco účastníci provádějí opakované cvičení plantární flexe na MRI skeneru. Tím se PCr (dostupná rezerva ATP) sníží na nulu. Konkrétně účastníci s manžetou na dolní končetinu provedou 30 kontrakcí během 5 minut pomocí MR kompatibilního ergometru. Jakmile je manžeta odstraněna, podstoupí neinvazivní a dobře zavedená měření in vivo 31P magnetickou rezonancí (31P MRS) na gastrocnemiu, aby se určila rychlost resyntézy PCR během klidové regenerace. Data 31P MRS budou zprůměrována, zpracována a kvantifikována pomocí vnitropodnikových metod.

Vzhledem k tomu, že rychlost resyntézy PCr je přímo úměrná mitochondriální hmotě a dodávka kyslíku není omezující během regenerace po zátěži, umožní nám to měřit svalovou metabolickou dekondici in vivo.

Velikost vzorku

1. Kardiorespirační zdatnost: Výzkumníci již dříve prokázali, že VO2max zdravého dobrovolníka je 3,65 (0,5) l/min, zatímco VO2max unaveného pacienta s IBD je 1,99 (0,44) l/min a neunaveného pacienta je 2,43 (0,75 ) L/min. Za předpokladu síly 80 % a α=0,05 je zapotřebí 6 subjektů v každé skupině k prokázání významného rozdílu mezi zdravými dobrovolníky a neunavenou kohortou a 13 pacientů v každé skupině je zapotřebí k prokázání rozdílu mezi 2 CD. kohorty.
2. Svalová únava: Maximální extenze svalového točivého momentu 180⁰/s (Nm) je nižší u unavených pacientů s IBD oproti neunaveným pacientům s IBD (60,73 vs. 73,5, SD 12,3 v tomto pořadí). Za předpokladu síly 90 % a α=0,05 je potřeba 16 CD subjektů v každé skupině, aby se ukázal rozdíl mezi unavenými a neunavenými CD kohortami. Důležité je, že míra svalové únavy (definovaná jako gradient poklesu síly od opakování 2 do 30 cvičebního protokolu) je významně vyšší u CD než u zdravých dobrovolníků (5,2 Nm/min oproti 1,3 Nm/min, SD 3. V tomto případě za předpokladu síly 90 % a a=0,05 je zapotřebí 11 subjektů v každé skupině, aby se ukázal rozdíl mezi CD a zdravými dobrovolníky.
3. Svalové kondicionování: nedávné studie ukázaly, že rychlost resyntézy Pcr je 27,9 ± 0,6 s u štíhlých sedavých subjektů, zatímco 36,5 ± 2,4 s u pacientů s diabetes mellitus 2. typu (T2DM). Za předpokladu síly 100 % a a=0,05 jsou tedy potřeba 3 subjekty v každé skupině, aby se ukázal rozdíl mezi zdravými dobrovolníky a potenciálně unavenou kohortou, jako jsou pacienti s T2DM.
4. Anabolická rezistence: Kromě toho naše nedávná práce o anabolické rezistenci již ukázala významné rozdíly v kvalitě svalů mezi CD a zdravými dobrovolníky (významný rozdíl pozorován u n=5 pacientů). Procento únavy předloktí v dominantní paži je 26,75 % ± 11,1 a 18,3 ± 7,8 u CD a kontrol. Za předpokladu síly 80 % a α=0,05 je potřeba 11 subjektů v každé paži.
5. MRI: Tuto přesnou MRI studii není možné realizovat, protože pilotní data v těchto kohortách IBD nebyla shromážděna. Výzkumníci však již dříve prokázali, že mozková perfuze u mladých lidí se během testu kardiorespirační zdatnosti zvyšuje o 18 ± 6 % při 30 % VO2max. Zatímco u starších osob se zvyšuje pouze o 3±4 %. Za předpokladu síly 100 % a α=0,05 je zapotřebí 10 subjektů v každé skupině k prokázání významného rozdílu mezi zdravými dobrovolníky (mladými) a potenciálně unavenou kohortou (starší osoby). Dále se pro analýzu fMRI BOLD obecně má za to, že v každé kohortě je zapotřebí minimálně 12 subjektů se zlepšenou citlivostí MR skenerů (a tedy vyšším poměrem mezi signálem a šumem (SNR), který nyní umožňuje lepší analýzy jednotlivých subjektů.

Z výše uvedených důvodů se výzkumníci domnívají, že 16 subjektů v každé skupině (unavené CD, neunavené CD a zdraví dobrovolníci) bude stačit k prokázání rozdílu v námi zvolených objektivních koncových bodech.

Analýza dat Únava bude měřena jako pokles vývoje maximálního točivého momentu během 20 izokinetických extenzí kolena, jak je popsáno výše. Rychlost resyntézy PCR a frakční extrakce mozkového kyslíku budou primárními cílovými body v cílech 2 a 3.

31P MRS data budou analyzována pomocí standardního NMR softwaru (jMRUI Software pro klinickou a biomedicínskou MRS). Přesně, všechna spektra z časové řady budou apodizovaná (15-20 Hz Lorentzův tvar). Z těchto spekter budou po tvarování čar stanoveny intenzity signálu 5 píků. Hodnota pH bude stanovena před a na konci cvičebního protokolu měřením frekvenčního posunu mezi PCr a Pi, zatímco pro účely bude použit vlastní psaný kód v MATLABu (MathWorks Inc., Matrix House, Cambridge, UK). další výpočty míry výtěžnosti PCR. V tomto případě se jako vstup do skriptu použijí intenzity ploch píku píku PCr z jMRUI pro přizpůsobení časových průběhů dat pomocí monoexponenciální funkce: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ τ); přičemž PCr je úroveň intenzity píku PCr, C a konstanta, τ [s] rychlostní konstanta pro zotavení PCr a t [s] čas, počínaje koncem cvičebního protokolu (t0). Reprodukovatelnost měření svalové energie 31P MRS byla nedávno hodnocena u trénovaného člověka a ukazuje, že variační koeficient během cvičení (27 %) a v klidu (8 %) byl relativně nízký a rozdíly byly zjistitelné u 15 dobrovolníků. To potvrzuje, že přístup 31P MRS poskytuje reprodukovatelná a experimentálně užitečná měření rychlosti resyntézy PCr v lidském kosterním svalu.

BOLD MRI data budou analyzována pomocí standardních neuroimagingových balíčků (Statistical Parametric Mapping (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience a software FMRIB Software Library). Snímky budou korigovány pohybem, normalizovány na standardní šablonu Montrealského neurologického institutu, aby se usnadnilo zprůměrování mezi účastníky. U všech akvizic dat budou vyšetřovatelé zaznamenávat vektorový kardiogram (VCG) a respirační pohyb, aby bylo možné data korigovat na fyziologický šum. Budou vytvořeny kontrastní vektory pro identifikaci reakce CNS na cvičební stimul. Vyšetřovatelé vytvoří statistické mapy těch oblastí mozku, které vykazují pokles/zvýšení signálu BOLD po cvičební intervenci. Tyto statistické mapy budou použity v kontrastech podle intervence a mezi skupinami účastníků. Výsledky budou sloučeny ve druhé úrovni, skupinové analýze náhodných efektů (RFX) a aktivní oblasti mozku se zobrazí s pravděpodobností korigované na míru falešného objevu P < 0,05, k > 5. Tyto analýzy byly již dříve provedeny a publikovány naší skupinou. Data ASL budou korigována pohybem a modelována pro kvantifikaci perfuze v ml/100 g/min a globální a regionální měření perfuze budou porovnána před a během cvičební intervence. Data TRUST budou použita k výpočtu frakční extrakce kyslíku před a během cvičení. Data budou prezentována jako průměr +/- standardní chyba průměru (SEM). Binární srovnání budou provedena t-testy, zatímco vícenásobná srovnání budou provedena s analýzou rozptylu s post-hoc Bonferroniho korekcí mezi 3 skupinami. Účinky cytokinů, vitaminu D a trvání onemocnění budou zkoumány pomocí korelačního koeficientu a post-hoc multivariační analýzy.

Výzkumníci budou stratifikovat subjekty na základě kvantitativních výsledků měření: rychlost resyntézy PCr, kardiorespirační zdatnost měřená pomocí VO2max, pokles svalového výkonu a změna regionální perfuze a frakční extrakce mozkového kyslíku bez ohledu na jejich stav únavy. To nám pomůže pochopit, které změny ve fyziologii a metabolismu jsou nejlépe spojeny se specifickými příznaky únavy. To umožní objektivní kvantifikaci subjektivního limitu pro stupnici únavy IBD, a tím lépe definovat únavu.