Metaboliske og muskulære tilpasninger under inaktivitet i 3 dages sengeleje

Sengeleje er en bredt accepteret eksperimentel model, der bruges til at studere fysiologiske tilpasninger til rumflyvning, herunder knogle- og muskelmassetab, væskeskift og kardiovaskulær dekonditionering. Generelt bliver deltagerne bedt om at tilbringe en periode i sengen, hvor alle aktiviteter i dagligdagen udføres i en horisontal eller head-down tilt-position (HDT), hvilket minimerer brugen af ​​alle muskler og frembringer betydelige fysiologiske tilpasninger svarende til dem, der er observeret under rumfart. Et betydeligt antal undersøgelser af sengeleje hos mennesker er blevet udført med en varighed på 3-370 dage. Der er dog i øjeblikket huller i vores forståelse af; hastigheden og størrelsen af ​​den fysiologiske dysregulering, der opstår under faktisk og simuleret mikrotyngdekraft (da de fleste undersøgelser til dato hovedsageligt har overvejet tidspunkter før og efter sengehvile); steder og mekanismer, der kontrollerer sengeleje-induceret dysregulering; om de processer, der ligger til grund for akutte fysiologiske forandringer, er de samme som dem, der ses på længere sigt. Forbedring af vores forståelse af disse problemer ville gøre det muligt for interventioner, der sigter på at minimere sengeleje-induceret fysiologisk dysregulering, mest effektivt at fokusere på tidsperioder, hvor hastigheden for indtræden af ​​fysiologisk dysregulering sandsynligvis er størst. Dette ville så bidrage til, at der opnås fremtidig succes i langvarig menneskelig rumflyvning, f.eks. en bemandet mission til Mars, fordi en forståelse af ætiologien og tidsforløbet af den fysiologiske dysregulering, der ledsager langvarig udsættelse for mikrogravitation, ville gøre det muligt at implementere effektive modforanstaltninger. Desuden giver sengelejemodeller en enestående mulighed for at undersøge konsekvenserne af sengeleje for dem, der kan lide længere perioder med inaktivitet under indlæggelse, som følge af sygdom eller skade.

Inaktivitet er forbundet med udviklingen af ​​insulinresistens og bidrager til udviklingen af ​​mange moderne stofskiftesygdomme, herunder fedme, type 2-diabetes, dyslipidæmi og hypertension (1,2); med fysisk inaktivitet, der nævnes som hovedårsagen til 27 % af diabetes- og 30 % af tilfældene af iskæmisk hjertesygdom. Imidlertid repræsenterer tidsforløbet, relativ vævsspecificitet (lever vs muskel) og mekanistisk grundlag for inaktivitet induceret insulinresistens, og dets vending ved remobilisering, store huller i vores nuværende forståelse. Ydermere er insulinresistens en observation med flere mulige ætiologier, og mekanismerne involveret i udviklingen af ​​denne tilstand med kortvarig sengeleje/immobilisering kan være anderledes end dem, der er involveret med længerevarende/kronisk inaktivitet. Yderligere forskning på dette område er derfor berettiget.

Den nuværende undersøgelse er en del af et større projekt, som omfatter en 60 dages langsigtet sengelejeundersøgelse udført i samarbejde med European Space Agency på Institut Médecine Physiologie Spatiale-faciliteten i Toulouse, Frankrig, og vil blive sammenlignet med foranstaltningerne udført i det langsigtede sengeleje-eksperiment.

'indkøringsfase'; Efter en vellykket medicinsk screening vil deltagerne starte en 'indkøringsfase', hvor deres sædvanlige aktivitetsniveau vil blive vurderet ved accelerometri. Individualiserede energibehov vil blive estimeret ved hjælp af den modificerede Harris-Benedict hvilestofskiftehastighedsligning og faktor for fysisk aktivitetsniveau og en standardiseret kost (sammensætning af makronæringsstoffer (udtrykt som en procentdel af kostens samlede energiindtag), der er ~55% kulhydrater, ~30% fedt og ~15 % protein) vil blive leveret i de 3 dage forud for den første eksperimentelle session. Dagen før denne session vil deltagerne blive bedt om at afholde sig fra enhver anstrengende træning og at faste fra midnat og kun indtage vand fra det tidspunkt. Ved ankomsten vil en dobbelt-energi røntgenabsorptiometri (DEXA) scanning blive udført for at karakterisere hele kroppens og benens fedtmasser. Deltageren vil derefter blive bedt om at ligge på en hospitalsseng i liggende stilling (én pude), og muskelvolumen og arkitekturmålinger vil blive bestemt ved ultralydsbilleddannelse af vastus lateralis-musklen ved hjælp af en 100 mm lineær array 13-4 megahertz-sonde. Dette vil give en global repræsentation af quadriceps muskelanatomi for at standardisere beregninger af benglukoseoptagelse og bestemme bidraget fra muskelmasse og intramyocellulært lipid til beninsulinresistens. Muskelbiopsiprøver vil blive opnået fra vastus lateralis før og umiddelbart efter en 3 timers hyperinsulinemisk euglykæmisk klemme (3). Muskelbiopsier vil blive udtaget ved brug af Bergström-teknikken under sterile forhold, efter injektion af lokalbedøvelse. Et anterograd femoral venekateter vil blive indsat (ved hjælp af Seldinger-teknikken under ultralydsvejledning) for at muliggøre, at venøst ​​bloddræning fra benet kan analyseres for glukosekoncentration og sammenlignes med glukosekoncentrationen af ​​arterialiserede-venøse blodprøver (Tidspunkter 0, 150, 160, 170 og 180 minutter). Samtidig med at den femorale venøse blodprøve tages, vil der blive foretaget en femoral arterie-blodgennemstrømningsvurdering (mmol/min) ved hjælp af ultralyd for at gøre det muligt at beregne benglukoseoptagelsen. Indirekte kalorimetri vil blive udført før og i de sidste 15 minutter af 180 min hyperinsulinæmisk-euglykæmisk klemme.

Dagen efter 'klemme' besøget vil der blive foretaget en 3 Tesla magnetisk resonansspektroskopi (MRS) scanning for at vurdere indholdet af intramyocellulært lipid (IMCL), ekstramyocellulært lipid (EMCL) og levertriglyceridindhold. En magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)-scanning vil også blive udført for at bestemme tværsnitsarealet af midten af ​​lårets muskler og hele kroppens muskelmasse. Efter magnetisk resonans (MR) scanninger vil deltagerne gennemgå en kort proprioceptiv vurdering af underekstremiteterne på et specielt designet somatosensorisk apparat kaldet Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Deltagerne vil stå på apparatet og få hver ankel bevæget gennem 5 forskellige inversionsvinkler og bliver bedt om at vurdere graden af ​​ankelposition. Denne metode er blevet valideret til at bestemme proprioceptiv diskrimination og vil blive gentaget efter MR udført på dag 4 for at vurdere forskelle før og efter sengeleje.

Inden sengelejeperioden begynder, vil der blive indsamlet spyt- og urinprøver til mål for baggrundsmærkning af kreatin, kreatinin, vand og 3-methylhistidin (MH) med deuterium. Herefter vil deltagerne blive forsynet med en drink indeholdende stabile isotopsporstoffer; deutereret kreatin (D3-Creatine 30 mg; til at måle hele kroppens muskelmasse) og deutereret, eller "tungt" vand (D2O, 3g/kg kropsvægt, opdelt i 3 alikvoter indtaget med 20 minutters mellemrum, for at måle muskelproteinsyntese (MPS) ) fra målinger af muskelvævsinkorporering). To timer efter indtagelse af den endelige D2O-dosis vil der blive indsamlet en spytprøve for at måle ligevægten af ​​D2O i hele kroppens vandbassin. En 24-timers urinopsamling vil blive udført i 24 timer efter D3-kreatinindtagelse, og en pleturinprøve vil blive taget kl. 36, 48 og 72. Urin vil blive analyseret for D3-kreatin for at tage højde for 'spillover', og D3-kreatinin-mærkning, som vil afspejle fortynding af mærket i hele kroppens kreatinpulje. Kroppens samlede kreatinpuljestørrelse og muskelmasse vil blive beregnet ud fra D3-kreatininberigelsen i urin ved 72 timer efter at have taget højde for ethvert tab af D3-kreatin direkte i urinen. Derudover vil deltagerne 24 timer før begyndelse af sengeleje (dag -1) indtage methyl-D3-3 methylhistidin (10 mg, D3-MH til måling af myofibrillær nedbrydning af hele kroppens muskelmuskler) i en drink. Yderligere 10 mg vil blive givet på dag 2 af sengeleje, med blodovervågning på dag 3.

sengeleje fase; Deltagerne ankommer til anlægget kl. 8 om morgenen dag 1 efter en natfaste fra kl. 22.00 aftenen før. Til simulering af de fysiologiske effekter af mikrotyngdekraft holdes sengen i en 6° vippeposition med hovedet nedad (HDT-position). En Bard microneedle muskelbiopsi vil blive udført og gentaget den følgende morgen (dag 2 i sengeleje) for at vurdere kumulativ muskelproteinsyntese over de første 24 timers sengeleje. Hver dag efter biopsien vil en anterograd venekanyle blive indsat i armen til prøvetagning af blod hver time i i alt 6 timer til måling af D3-MH-mærkning.

Påfyldning af D2O (beregnet ud fra vandomsætningshastigheder) vil blive givet til deltagerne på dag 1 og 3 i sengeleje for at opretholde D2O-berigelse. Der tages en spytprøve for at måle berigelse af D2O kropsvand og en urinprøve til D3 Kreatinin-mærkning.

Under sengeleje forbliver deltagerne i sengen 24 timer i døgnet. Alle aktiviteter i dagligdagen, såsom hygiejniske procedurer, spisning, læsning og 'gå' på toilettet (brug af sengepander og urinflasker) finder sted, mens hovedet holdes nede i hele undersøgelsens varighed. Deltagerne må bevæge sig fra side til side (fra liggende til ventrale eller laterale positioner), men må ikke sidde op eller stå på noget tidspunkt. Brugen af ​​en lille flad pude er tilladt, så længe skuldrene stadig rører madrassen. Kostindtaget vil blive kontrolleret, med en aktivitetsmultiplikator på 1,2, der bruges til at bestemme det daglige energiindtag. Fem daglige måltider (morgenmad, morgensnack, frokost, eftermiddagssnack og aftensmad) serveres på samme tidspunkt på dagen hele vejen igennem. Deltagerne opfordres til at indtage al den udleverede mad. De kan indtage mindre, end de er til rådighed, men vil ikke modtage yderligere mad. Hver fødevare vejes på en præcisionsskala (±0,1 g), og hvor deltagerne ikke spiser al den mad, der gives, vejes de uforbrugte fødevarer igen, og værdien trækkes fra startvægten for at give det faktiske fødeindtag. Forsøgspersonerne holder en streng dag-nat-cyklus. De bliver vækket kl. 7.00, og lyset slukkes kl. 23.00.

Om morgenen dag 4, efter en natfaste, vil deltagerne gennemgå den anden 'clamp'-dag som beskrevet ovenfor (ultralydsskanning af låret, indirekte kalorimetri, femoral venekanylering, muskelbiopsier og en euglykæmisk hyperinsulinemisk klemme). Herefter udføres en gradvis, overvåget tilbagevenden til 'opretstående' i sengen med kontinuerlig kardiovaskulær monitorering for at undgå postural hypotension. Deltagerne forbliver i sengen, men får lov til at sidde i oprejst stilling indtil morgenen på dag 5.

Efter sengeleje fase; Om morgenen på dag 5 vil deltagerne flytte (uden at bære vægt) ind i en kørestol og derefter transporteres til 3 Tesla MR-scanneren for deres MR-scanninger efter sengeleje. De skal faste fra kl. 22.00 aftenen før. Efter MR-scanningerne vil deltagerne blive fodret og få lov til at vende tilbage til stående i et kontrolleret miljø. De vil derefter gennemgå overvåget genoptræning i University of Nottingham fitnessfaciliteter, der består af 6 sæt af 8 gentagelser (ved 75 % af maksimum) af et-bens knæforlængelsekontraktioner på et tilfældigt tildelt ben, da dette har vist sig at give en anabolsk stimulus (4), og derefter få lov til at vende hjem. Rehabiliteringssessionerne varer cirka 30 minutter. De vil vende tilbage på dag 6 og 7 i den ikke-sengehvileperiode for at gennemgå yderligere overvågede rehabiliteringssessioner som ovenfor. Standardiseret kostindtag vil blive opretholdt gennem hele fasen efter sengeleje. 08.00 om morgenen dag 8 vil de deltage i laboratoriet for at gennemgå et sidste "klemme"-besøg bestående af de samme procedurer som beskrevet ovenfor, med følgende modifikation; en Bergström muskelbiopsi vil blive udført på det ben, der gennemgik rehabiliteringstræning før og efter euglykæmisk hyperinsulinemisk klemme. En Bard-mikronålebiopsi vil kun blive udført på det kontralaterale ben før 3 timers klemmen for at sammenligne muskelproteinsyntese mellem ben. Endelig på dag 9 vil MRS- og MR-scanningerne blive udført på samme måde som beskrevet ovenfor. Når den endelige MRS-scanning er blevet udført, vil det være afslutningen på undersøgelsesprotokollen.