Elektrisk stimulering til at dæmpe muskelatrofi

Introduktion:

Skeletmuskulaturen reagerer på stimulus af mekanisk belastning for vækst og vedligeholdelse. Langvarige reduktioner i muskelaktivitet og mekanisk belastning såsom rumflyvning, immobilisering af lemmer, sengeleje og/eller inaktivitet ændrer balancen mellem proteinsyntese og nedbrydning, hvilket resulterer i skeletmuskelatrofi (1-3). Dette er karakteriseret ved et fald i muskelmasse, myofibertværsnitsareal, kontraktil styrke og hastighed, samt langsom-til-hurtig fibertypetransformation (4,5). Mange modforanstaltninger er blevet rapporteret for at dæmpe tabet af muskelatrofi, og neuromuskulær elektrisk stimulation (NMES) er blevet brugt hyppigt ved tilstande som rygmarvsskade, immobilisering og muskelafbrydelse efter operation (6,7). En nylig Cochrane-gennemgang om effektiviteten af ​​NMES til muskelsvaghed hos voksne med progressive sygdomme som KOL, kronisk hjertesvigt og cancer indikerede faktisk, at NMES er et effektivt middel til at forbedre muskelsvaghed (8). Metaanalyserne omfattede elleve randomiserede kontrollerede forsøg (RCT) undersøgelser med i alt 218 deltagere. NMES forbedrede quadriceps styrke markant med en standardiseret gennemsnitsforskel (SMD) på 0,9 (95 % konfidensinterval (CI) 0,33 til 1,46). Dette er cirka lig med 25 Newtonmeter (Nm) og skal betragtes som klinisk signifikant. Tilsvarende viste en anden nylig systematisk gennemgang også, at NMES er effektiv til at forhindre skeletmuskelsvaghed hos kritisk syge patienter. Otte kvalificerede undersøgelser, der involverede 172 patienter, blev inkluderet i analysen. Ud af de otte studier rapporterede fem studier en stigning i styrke eller bedre bevarelse af styrke med NMES, hvor et studie havde en stor effektstørrelse (1,44). To undersøgelser fandt bedre bevarelse af muskelmasse med NMES, med små til moderate effektstørrelser (0,11-0,39), mens der ikke blev fundet signifikante fordele i to andre undersøgelser (9).

Effektiviteten af ​​NMES afhænger af den kliniske tilstand og påvirkes af forskellige stimulationsparametre, især stimuleringsfrekvensen og -varigheden. Traditionelt er NMES blevet betragtet som anvendelsen af ​​en transkutan elektrisk strøm til den neuromuskulære forbindelse, der sigter mod at depolarisere motorenhedens aktionspotentiale og inducere muskelkontraktion (10). Denne elektrisk inducerede muskelsammentrækning simulerer aktiv muskelstyrkelse og er baseret på princippet om muskeltræning, at ved passende belastning vil muskelstyrken øges. For at opnå denne træningseffekt havde de anvendte stimulationsparametre normalt til formål at producere tetanisk kontraktion med en strømtæthed, som individet maksimalt kan tolerere (8,9). Denne i øjeblikket vedtagne stimuleringsprotokol (dvs. høj frekvens ved eller over 50 Hz, amplitude ved forsøgspersoners maksimalt tolererede grænse og korte varighed (30 min til 1 time) for at modvirke muskelatrofi har to hovedulemper. For det første er det veletableret, at mekanisk aflastning er forbundet med skadelige ændringer i skeletmuskulaturens struktur og funktion, karakteriseret ved reduktion i muskelmasse, myofibertværsnitsareal, kontraktil styrke og hastighed samt langsom til hurtig fibertype transformation (for gennemgang, se 11). Således er de langsomme muskelfibre mere modtagelige for aflastning eller misbrugseffekt frem for hurtige muskelfibre. Den traditionelle højfrekvente stimulationsprotokol (50 Hz) matcher ikke motorenhedens affyringsmønster for en langsom-twitch-muskel. Desuden ville den høje strømtæthed uundgåeligt forårsage ubehag, hvis ikke smerte for forsøgspersonerne under den elektriske stimulation. Forsøgspersonerne kan ikke tåle den elektriske stimulation i timevis. Dette er især tilfældet, hvis anvendelsen er til forsøgspersoner med ubrugelig muskelatrofi eller forsøgspersoner med muskelsvaghed forårsaget af progressive sygdomme. Meget ofte er smertetolerancen for denne gruppe af forsøgspersoner generelt lavere end de normale raske forsøgspersoner. Den aktuelt vedtagne protokol giver således muligvis ikke det bedst mulige resultat af NMES til forbedring af muskelfunktionen. De gavnlige virkninger af NMES til at modvirke muskelatrofi var ikke blevet udnyttet fuldt ud. En nylig systematisk gennemgang, der undersøger metaboliske og strukturelle ændringer i skeletmuskulaturen i underekstremiteterne efter neuromuskulær elektrisk stimulering, identificerede kun 18 undersøgelser. Otte af disse undersøgelser undersøgte enzymatiske aktiviteter, syv undersøgelser af muskelfibersammensætning og 14 på muskelfiberstørrelse. Blandt disse 18 studier er kun 9 RCT-studier, og den metodiske kvalitet var generelt dårlig. Forfatterne konkluderede, at NMES synes at være i stand til at producere gunstige ændringer i oxidativ enzymaktivitet, skeletmuskelfibertype og skeletmuskelfiberstørrelse. I lyset af den store heterogenitet i NMES-protokoller konkluderede forfatterne, at der ikke var nogen sikker konsensus om stimuleringsfrekvenserne for optimale muskulære ændringer (12), for eksempel Theriault et al. (13) havde udført langvarig elektrisk stimulation til knæekstensoren hos 8 raske voksne. Den elektriske stimuleringsprotokol var af 8 ugers varighed i 8 timer om dagen og 6 dage om ugen. Stimuleringsparameteren var af lav frekvens (8 Hz) med intensitet, der blot var i stand til at producere synlige vibrationer. Resultaterne tydede på signifikant forbedring i knæekstensorens ydeevne efter 4 ugers stimulering. Undersøgelsen er dog ikke et RCT-studie, og der er kontrolgruppe i undersøgelsen. På den anden side havde et af de RCT-studier, der undersøgte effekterne af NMES og inkorporerede høj frekvens (50Hz), men meget lav amplitude (uden muskelkontraktion), da placebogruppen i øvrigt afsløret, at placebo gav bedre effekt end interventionsgruppen. NMES-gruppen vs placebogruppen med en SMD på -0,12 (95 % CI: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee og hans gruppe har også vist en elektrisk stimuleringsprotokol med lav frekvens (4 Hz) men høj amplitude (300mA), 1 time/dag i 6 uger kan signifikant øge quadriceps-styrken hos raske stillesiddende voksne og patienter med stabilt kronisk hjertesvigt ( 15, 16). Resultaterne fra grundlæggende videnskab og disse kliniske undersøgelser antydede således behovet for yderligere udforskning af mere effektiv NMES-stimuleringsprotokol for at dæmpe muskelatrofi.

Mål og hypoteser, der skal testes:

For at løse disse har efterforskerne af dette forslag udfordret den traditionelle tanke om, at NMES skal være med høj frekvens og høj amplitude. Forskerne havde testet hypotesen om, at lav frekvens og lav amplitude er effektiv til at dæmpe muskelatrofi, og undersøgte de cellulære mekanismer forbundet med muskelaflastning. Ved at bruge dyremodellen for bagbensophængning har efterforskerne tidligere vist, at under bagbensophængning har anvendelse af lavfrekvent elektrisk stimulation ved 20 Hz på soleus-musklerne med definerede timing- og pulsparametre delvist reddet tabet af satellitceller og forbedret fiberkryds. sektionsarealer (17). Efterforskerne har yderligere påvist, at brug af et elektrisk stimuleringsparadigme med frekvens: 20 Hz; varighed: 3 timer, to gange dagligt til otte uger gamle BALB/c-hanmus, der blev udsat for en 14-dages aflæsning af bagben (HU). Dette stimuleringsparadigme kan øge satellitcelleproliferativt potentiale såvel som undertrykke apoptotisk celledød i ubrugsinduceret muskelatrofi. Morfologisk viste bagbenet med elektrisk stimulation signifikant forbedring i muskelmasse, tværsnitsareal og maksimal tetanisk kraft i forhold til HU-lemmet (18). For nylig undersøgte efterforskerne yderligere den optimale stimulationsprotokol og demonstrerede, at blandt tre lavfrekvente protokoller, 2, 10 og 20 Hz, opnåede stimulering ved 2 Hz i 2 × 3 timer/dag den bedste effekt til at dæmpe tabet af muskelfibre. snitareal og kraft. Denne stimuleringsparameter førte til en 1,2-fold stigning i satellitcelleproliferation og var effektiv til at redde celler fra apoptose (19). Med alle disse opmuntrende resultater fra den grundlæggende videnskabelige forskning, mener forskerne, at det foreslåede nye paradigme af NMES kan testes på forsøgspersoner med progressiv muskelatrofi. Undersøgernes hypotese, at NMES ved 2 Hz i 2 × 3 timer/dag er effektiv til at dæmpe/forbedre postural muskelatrofi i underekstremiteterne, nemlig quadriceps og gastrocnemius og soleus muskelkompleks.

Undersøgelsesplan:

Baseret på resultaterne i den eksisterende litteratur om den nuværende vedtagne NMES-stimuleringsprotokol til at dæmpe muskelatrofi eller forbedring af muskelydelse i forskellige populationer, antog forskerne, at det foreslåede nye paradigme for NMES ville være mere effektivt til at forbedre muskeltværsnitsarealet (CSA) ), styrke, udholdenhed, træningstolerance og er mere acceptabel af forsøgspersoner, der havde brug for NMES for at dæmpe muskelatrofien med forskellige medicinske tilstande, især patienter med kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL).