Elektrická stimulace pro zmírnění svalové atrofie

Úvod:

Kosterní sval reaguje na podnět mechanické zátěže pro růst a udržení. Dlouhodobé snižování svalové aktivity a mechanické zatížení, jako je let do vesmíru, imobilizace končetin, upoutání na lůžko a/nebo nečinnost, mění rovnováhu mezi syntézou a degradací proteinů, což vede k atrofii kosterního svalstva (1-3). To je charakterizováno úbytkem svalové hmoty, plochy průřezu myovlákna, kontrakční síly a rychlosti a také přeměnou typu vlákna z pomalého na rychlé (4,5). Bylo hlášeno mnoho protiopatření ke zmírnění ztráty svalové atrofie a neuromuskulární elektrická stimulace (NMES) se často používá u stavů, jako je poranění míchy, imobilizace a nepoužívání svalů po operaci (6,7). Nedávný Cochranův přehled o účinnosti NMES na svalovou slabost u dospělých s progresivními onemocněními, jako je CHOPN, chronické srdeční selhání a rakovina, skutečně ukázal, že NMES je účinným prostředkem ke zlepšení svalové slabosti (8). Metaanalýzy zahrnovaly jedenáct randomizovaných kontrolovaných studií (RCT) zahrnujících celkem 218 účastníků. NMES významně zlepšila sílu kvadricepsu standardizovaným středním rozdílem (SMD) 0,9 (95% interval spolehlivosti (CI) 0,33 až 1,46). To se přibližně rovná 25 Newtonmetrům (Nm) a mělo by být považováno za klinicky významné. Podobně další nedávný systematický přehled také ukázal, že NMES je účinný v prevenci slabosti kosterního svalstva u kriticky nemocných pacientů. Do analýzy bylo zahrnuto osm vhodných studií zahrnujících 172 pacientů. Z osmi studií pět studií uvedlo zvýšení síly nebo lepší zachování síly s NMES, přičemž jedna studie měla velký účinek (1,44). Dvě studie zjistily lepší zachování svalové hmoty pomocí NMES s malými až středními velikostmi účinku (0,11-0,39), zatímco ve dvou dalších studiích nebyly zjištěny žádné významné přínosy (9).

Účinnost NMES je závislá na klinickém stavu a je ovlivněna různými parametry stimulace, zejména frekvencí a trváním stimulace. Tradičně se na NMES pohlíželo jako na aplikaci transkutánního elektrického proudu do neuromuskulárního spojení s cílem depolarizovat akční potenciál motorické jednotky a vyvolat svalovou kontrakci (10). Tato elektricky indukovaná svalová kontrakce simuluje aktivní posilování svalů a je založena na principu svalového tréninku, že vhodným zatížením dojde ke zvýšení svalové síly. K dosažení tohoto tréninkového efektu byly použité stimulační parametry normálně zaměřeny na vyvolání tetanické kontrakce s proudovou hustotou, kterou subjekt může maximálně tolerovat (8,9). Nicméně tento aktuálně přijatý stimulační protokol (tj. vysoká frekvence při nebo nad 50 Hz, amplituda na maximální tolerované hranici subjektů a krátká doba (30 min až 1 h) k potlačení svalové atrofie má dvě hlavní nevýhody. Za prvé, bylo dobře prokázáno, že mechanické odlehčení je spojeno se škodlivými změnami ve struktuře a funkci kosterních svalů, které se vyznačují snížením svalové hmoty, plochy průřezu svalových vláken, kontrakční silou a rychlostí, stejně jako pomalým až rychlým transformace typu vlákna (přehled viz 11). Pomalé záškuby svalových vláken jsou tedy náchylnější k odlehčení nebo efektu nepoužívání než rychlá svalová vlákna. Tradiční protokol vysokofrekvenční stimulace (50 Hz) neodpovídá vzoru střelby motorické jednotky pomalého záškubu svalu. Navíc by vysoká proudová hustota nevyhnutelně způsobila subjektům během elektrické stimulace nepohodlí, ne-li bolest. Subjekty nemohou tolerovat elektrickou stimulaci celé hodiny. To je zejména případ, kdy je aplikace určena subjektům s nečinnou svalovou atrofií nebo subjektům se svalovou slabostí způsobenou progresivním onemocněním. Velmi často je tolerance bolesti u této skupiny subjektů obecně nižší než u normálních zdravých subjektů. V současné době přijatý protokol tedy nemusí poskytnout nejlepší možný výsledek NMES pro zlepšení svalové funkce. Příznivé účinky NMES na potlačení svalové atrofie nebyly plně využity. Nedávný systematický přehled, který zkoumá metabolické a strukturální změny v kosterním svalstvu dolních končetin po neuromuskulární elektrické stimulaci, identifikoval pouze 18 studií. Osm z těchto studií zkoumalo enzymatické aktivity, sedm studií složení svalových vláken a 14 velikost svalových vláken. Z těchto 18 studií je pouze 9 RCT studií a metodologická kvalita byla obecně špatná. Autoři dospěli k závěru, že NMES se zdá být schopen vyvolat příznivé změny v aktivitě oxidačních enzymů, typu vláken kosterního svalstva a velikosti vláken kosterního svalu. S ohledem na velkou heterogenitu protokolů NMES autoři došli k závěru, že neexistuje žádný jednoznačný konsenzus ohledně stimulačních frekvencí pro optimální svalové změny (12), například Theriault et al. (13) provedli prodlouženou elektrickou stimulaci extenzoru kolena u 8 zdravých dospělých. Protokol elektrické stimulace trval 8 týdnů po dobu 8 hodin denně a 6 dní v týdnu. Parametr stimulace měl nízkou frekvenci (8 Hz) s intenzitou, která byla schopna produkovat pouze viditelné vibrace. Výsledky naznačovaly významné zlepšení výkonu extenzorů kolene po 4 týdnech stimulace. Studie však není RCT studií a ve studii je kontrolní skupina. Na druhé straně jedna z RCT studií, která zkoumala účinky NMES a zahrnovala vysokou frekvenci (50 Hz), ale velmi nízkou amplitudu (bez svalové kontrakce), jako skupina s placebem, mimochodem odhalila, že placebo mělo lepší účinek než intervenční skupina. Skupina NMES oproti skupině s placebem podle SMD -0,12 (95% CI: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee a jeho skupina také prokázali protokol elektrické stimulace s nízkou frekvencí (4 Hz), ale vysokou amplitudou (300 mA), 1 h/den po dobu 6 týdnů, může významně zvýšit sílu kvadricepsu u zdravých dospělých osob se sedavým zaměstnáním a pacientů se stabilním chronickým srdečním selháním ( 15, 16). Zjištění základní vědy a tyto klinické studie tedy naznačovaly potřebu dalšího zkoumání účinnějšího stimulačního protokolu NMES pro zmírnění svalové atrofie.

Cíle a hypotézy k testování:

Aby se to vyřešilo, výzkumníci tohoto návrhu zpochybnili tradiční myšlenku, že NMES by měl být s vysokou frekvencí a vysokou amplitudou. Vyšetřovatelé testovali hypotézu, že nízká frekvence a nízká amplituda jsou účinné při zmírňování svalové atrofie, a zkoumali buněčné mechanismy spojené s odlehčením svalů. Pomocí zvířecího modelu se zavěšením zadních končetin výzkumníci již dříve prokázali, že během zavěšení zadních končetin aplikace nízkofrekvenční elektrické stimulace při 20 Hz na svaly plosky s definovanými parametry časování a pulzu částečně zachránila ztrátu satelitních buněk a zlepšila zkřížení vláken. sekční plochy (17). Výzkumníci dále prokázali, že použitím paradigmatu elektrické stimulace frekvence: 20 Hz; trvání: 3 hodiny, dvakrát denně osmitýdenním samcům myší BALB/c, kteří byli podrobeni 14dennímu vykládání zadních končetin (HU). Toto stimulační paradigma může zvýšit proliferační potenciál satelitních buněk a také potlačit apoptotickou buněčnou smrt při svalové atrofii vyvolané nepoužíváním. Morfologicky zadní končetina s elektrickou stimulací vykazovala významné zlepšení svalové hmoty, plochy průřezu a maximální tetanické síly ve srovnání s končetinou HU (18). Nedávno výzkumníci dále zkoumali optimální stimulační protokol a prokázali, že ze tří nízkofrekvenčních protokolů, 2, 10 a 20 Hz, dosáhla stimulace při 2 Hz po dobu 2 × 3 h/den nejlepšího účinku při zmírnění ztráty svalového vlákna. průřezová plocha a síla. Tento stimulační parametr vedl k 1,2násobnému zvýšení proliferace satelitních buněk a byl účinný při záchraně buněk před apoptózou (19). Se všemi těmito povzbudivými poznatky ze základního vědeckého výzkumu vědci věří, že navrhované nové paradigma NMES může být testováno na subjektech s progresivní svalovou atrofií. Vyšetřovatelé předpokládají, že NMES při 2 Hz po dobu 2 × 3 h/den je účinný při zmírňování/zlepšování posturální svalové atrofie dolních končetin, konkrétně quadricepsu a m. gastrocnemius a m. soleus.

Plán vyšetřování:

Na základě zjištění v existující literatuře o aktuálně přijatém stimulačním protokolu NMES při zmírnění svalové atrofie nebo zlepšení svalového výkonu u různých populací vědci předpokládali, že navrhované nové paradigma NMES by bylo účinnější ve zlepšení svalové průřezové plochy (CSA ), síla, vytrvalost, tolerance cvičení a je přijatelnější pro subjekty, které potřebovaly NMES ke zmírnění svalové atrofie u různých zdravotních stavů, zejména u pacientů s chronickou obstrukční plicní nemocí (COPD).