Hjernesubstrat Skift til ketoner og laktat (BSS)

Mål:

Primær:

• At afgøre, om hjernens keton- og laktatmetabolisme forårsager de gavnlige neurotrofiske reaktioner forbundet med henholdsvis faste og træning.

Sekundær:

• At afgøre, om faste og motion forbedrer hjernens optagelse af glukose, ketoner og laktat.

Slutpunkter:

Primær:

• Hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF)
• Udskilt amyloid-beta-precursorprotein-alfa (sAPPA)

Sekundær:

• Hjerne glukose ekstraktion
• Hjerneketonekstraktion
• Hjerne laktat ekstraktion
• Øget hjerneglukoseekstraktion som reaktion på intranasal insulinadministration

Hypotese:

1. Faste og højintensiv træning vil øge hjernens frigivelse af BDNF og sAPPA, og disse reaktioner vil være de samme, når ketoner og laktat passivt infunderes i cirkulationen i fodret og udhvilet tilstand.
2. Faste vil øge hjernens ketonmetabolisme ud over det, der opnås, når ketoner passivt infunderes i cirkulationen i fødetilstand.
3. Højintensiv træning vil øge hjernens laktatmetabolisme ud over det, der opnås, når laktat passivt infunderes i cirkulationen i udhvilet tilstand.
4. Højintensiv træning vil forbedre hjernens insulinfølsomhed over for glukose, som vist ved at øge hjernens glukoseoptagelse som reaktion på intranasal insulin.

Design

Dette vil være et cross-over-design med gentagne foranstaltninger, hvor deltagere gennemfører to betingelser adskilt af 4-6 uger:

1. Fed motion og passive infusioner af laktat og ketoner
2. 72-timers fastende træning og passive infusioner af laktat og ketoner

Ved begge besøg vil deltagerne blive instrumenteret med arterielle (radiale) og venøse (interne jugulære) katetre for at kvantificere cerebral oxidativ og substrat (glukose, ketoner, laktat) metabolisme som reaktion på: 1) faste, 2) 6 minutters høj intensitet motion, 3) en passiv gradueret infusion af ketoner (for at efterligne faste); og 4) en passiv graderet infusion af laktat (for at efterligne træning). Hjernens insulinfølsomhed over for glukose vil blive kvantificeret i fodrede og fastende tilstande før og efter træning ved en engangsdosis af intranasal insulin. I fodrede og fastende tilstande i hvile, vil en cerebrospinalvæskeprøve blive indsamlet fra lændehvirvelsøjlen for at kvantificere metabolomics og produktion og frigivelse af neurotrofiske faktorer (BDNF og sAPPa) fra hjernen.

Forsøgssteder Alle test vil finde sted i ARTs-bygningen (rum 184) i Center for Heart, Lung and Vascular Health forskningslaboratoriet i Kelowna, British Columbia, Canada.

Deltagere Stikprøvestørrelse Vi vil indsamle data i 12 forsøgspersoner med begge køn inkluderet. En prøvestørrelsesberegning (effekt >0,8, signifikans < 0,05) baseret på vores foreløbige data indikerer, at 8 deltagere er påkrævet (12); vi vil sigte mod at rekruttere 12 frivillige af begge køn for bedre at repræsentere befolkningen, ikke for at undersøge kønsforskelle. Der vil blive indhentet skriftligt informeret samtykke fra deltagerne. Vi forventer et frafald på <5%.

Inklusionskriterier

• I alderen 19-40 år
• Regelmæssigt fysisk aktiv, som bestemt via spørgeskemaer

Eksklusionskriterier

• Nuværende rygere
• Akut bronkial astma, kronisk obstruktiv luftvej eller status asthmaticus
• Overvægtig (body mass index større end 30 kg m-2)
• Kræver daglig receptpligtig medicin, der kan påvirke reaktioner på træning, f.eks. antihypertensiva, antiarytmogenika, inhalatorer
• Anamnese med sygdom/dysfunktion, der kunne forårsage komplikationer ved træning, f.eks. kardiovaskulære, respiratoriske, neurologiske eller muskuloskeletale sygdomme
• Uregelmæssig eller manglende menstruationscyklus (kvinder)
• Gravid eller kan have mistanke om graviditet eller postmenopausal (kvinder)
• Eventuelle uventede negative reaktioner på præ-eksperimentelle træningstests
• Enhver kontraindikation til en lumbal subarachnoid adgang

Screening/Baseline Evaluering

Ovenstående inklusions- og eksklusionskriterier vil blive undersøgt via et sundhedsscreeningsspørgeskema og en klinisk screening udført af en læge. Denne screening vil omfatte:

• Hvilende blodtryk,
• 12-aflednings elektrokardiogram,
• Hjerte-lunge træningstest,
• Fastende blodsukker.

Ophørskriterier

• Enhver negativ reaktion på invasive procedurer, dvs. kateterisering og cerebrospinalvæskeprøvetagning (se venligst Risici nedenfor)

Ud over ovenstående og i henhold til retningslinjerne fra UBC Clinical Research Ethics Board, er alle forskningsdeltagere i stand til at trække sig fra undersøgelsen til enhver tid og uden grund.

Eksperimentelle procedurer

Deltagerne vil besøge laboratoriet ved to lejligheder. Nærmere oplysninger om de eksperimentelle besøg er beskrevet nedenfor:

1. Fed motion og passive infusioner af laktat og ketoner

   Deltagerne ankommer til laboratoriet 1 time efter at have spist et let måltid efter eget valg. Deltagerne vil ligge på en seng og vil blive instrumenteret med indlagte radiale arterie og indre halsvenekatetre. En time efter kateteriseringer vil cerebral blodgennemstrømning blive målt non-invasivt ved Duplex ultralyd af de indre carotis og vertebrale arterier. Blodprøver vil blive indsamlet fra de arterielle og venøse kredsløb til hvilemålinger af hjernens oxidative og substrat (glukose, ketoner og laktat) metabolisme. En enkelt cerebrospinalvæskeprøve vil blive indsamlet fra lændehvirvelsøjlen mellem L4 og L5. Denne procedure vil blive udført af en højtuddannet læge, som bruger disse teknikker rutinemæssigt til patientpleje på næsten daglig basis. Derefter vil den primære keton, beta-hydroxybutyrat (Bhb), blive infunderet via en antecubital (arm) vene på en trinvis måde for at inducere cirkulerende koncentrationer på 1, 3 og 5 mmol/L. Efter en fuldstændig genopretning, dvs. Bhb-koncentrationen vender tilbage til hvileværdier, vil intravenøs laktat blive infunderet på en trinvis måde for at inducere cirkulerende koncentrationer på 5, 10 og 15 mmol/L. Efter en fuldstændig genopretning af lactatniveauer i blodet, vil en intravenøs kombineret infusion (Bhb og lactat) blive administreret for at inducere cirkulerende koncentrationer på henholdsvis 3 og 10 mmol/L. Deltagerne vil derefter få et let standardiseret måltid og 1 time til at hvile og fordøje. Til sidst vil deltagerne selv administrere en enkelt dosis af intranasal insulin før og efter at have gennemført 6-minutters cyklusintervaller med høj intensitet. Efter den sidste dosis af intranasal insulin vil deltagerne blive de-instrumenteret, hvilket markerer afslutningen på besøget. Den samlede tid for dette besøg er estimeret til at være 3-4 timer.

2. 72-timers fastende træning og passive infusioner af laktat og ketoner

Dette besøg er identisk med betingelse 1, bortset fra at deltagerne vil ankomme til laboratoriet 72 timer fastende og ikke vil blive forsynet med et let måltid, før alle eksperimentelle procedurer er afsluttet. Inden fasten påbegyndes, vil deltagerne blive udstyret med en kontinuerlig glukosemonitor, så forskerne kan spore deres blodsukker under fasten. Som sådan er den samlede tid for dette besøg også estimeret til at være 3-4 timer.

Højintensiv træningsprotokol. Deltagerne vil gennemføre seks 40-sekunders cykling med en arbejdshastighed, der fremkalder 100 % maksimal aerob kraft (V̇O2max) efterfulgt af 20 s aktiv restitution ved 25 % VO2max. Vi har vist, at denne øvelse øger laktat >5 gange i både fodret og fastende tilstand (12).

Randomisering af forhold. Rækkefølgen af ​​tilstande, dvs. fodres eller fastende, vil blive randomiseret. Det er umuligt at blinde deltagerne for fodrings- og fasteforhold, da faste kræver, at man afholder sig fra at spise, før man besøger laboratoriet. Forskere vil ikke blive blindet, fordi de vil overvåge forsøgspersonerne, mens de faster, inden de besøger laboratoriet.