Umstellung des Gehirnsubstrats auf Ketone und Laktat (BSS)

Ziele:

Primär:

• Um festzustellen, ob der Keton- und Laktatstoffwechsel im Gehirn die positiven neurotrophen Reaktionen hervorruft, die mit Fasten bzw. Bewegung verbunden sind.

Sekundär:

• Um festzustellen, ob Fasten und Bewegung die Aufnahme von Glukose, Ketonen und Laktat durch das Gehirn verbessern.

Endpunkte:

Primär:

• Aus dem Gehirn stammender neurotropher Faktor (BDNF)
• Sekretiertes Amyloid-Beta-Vorläuferprotein-Alpha (sAPPA)

Sekundär:

• Extraktion von Gehirnglukose
• Extraktion von Gehirnketonen
• Extraktion von Gehirnlaktat
• Erhöhte Glukoseextraktion im Gehirn als Reaktion auf die intranasale Insulinverabreichung

Hypothese:

1. Fasten und hochintensives Training erhöhen die Freisetzung von BDNF und sAPPA durch das Gehirn, und diese Reaktionen sind die gleichen, wenn Ketone und Laktat im gefütterten und Ruhezustand passiv in den Kreislauf infundiert werden.
2. Durch Fasten wird der Ketonstoffwechsel im Gehirn über das hinaus gesteigert, was erreicht wird, wenn Ketone im nährten Zustand passiv in den Kreislauf infundiert werden.
3. Hochintensives Training erhöht den Laktatstoffwechsel im Gehirn über den Wert hinaus, der erreicht wird, wenn Laktat im Ruhezustand passiv in den Blutkreislauf gelangt.
4. Hochintensives Training verbessert die Insulinsensitivität des Gehirns gegenüber Glukose, was durch eine erhöhte Glukoseaufnahme im Gehirn als Reaktion auf intranasales Insulin gezeigt wird.

Design

Hierbei handelt es sich um ein Cross-Over-Design mit wiederholten Messungen, bei dem die Teilnehmer zwei Bedingungen im Abstand von 4 bis 6 Wochen erfüllen:

1. Nahrungsergänzung und passive Infusionen von Laktat und Ketonen
2. 72-stündiges Fastentraining und passive Infusionen von Laktat und Ketonen

Bei beiden Besuchen werden die Teilnehmer mit arteriellen (radialen) und venösen (inneren Halsschlagadern) Kathetern ausgestattet, um den zerebralen Oxidations- und Substratstoffwechsel (Glukose, Ketone, Laktat) als Reaktion auf Folgendes zu quantifizieren: 1) Fasten, 2) 6 Minuten hochintensives Training Übung, 3) eine passiv abgestufte Infusion von Ketonen (um das Fasten nachzuahmen); und 4) eine passiv abgestufte Laktatinfusion (um körperliche Betätigung nachzuahmen). Die Insulinsensitivität des Gehirns gegenüber Glukose wird im nüchternen und nüchternen Zustand vor und nach dem Training durch eine einmalige Gabe von intranasalem Insulin quantifiziert. Im Ruhezustand wird im gefütterten und nüchternen Zustand eine Liquorprobe aus der Lendenwirbelsäule entnommen, um die Metabolomik sowie die Produktion und Freisetzung neurotropher Faktoren (BDNF und sAPPa) aus dem Gehirn zu quantifizieren.

Versuchsstandorte Alle Tests werden im ARTs-Gebäude (Raum 184) im Forschungslabor des Centre for Heart, Lung and Vascular Health in Kelowna, British Columbia, Kanada, durchgeführt.

Teilnehmer Stichprobengröße Wir werden Daten von 12 Probanden sammeln, wobei beide Geschlechter einbezogen sind. Eine Berechnung der Stichprobengröße (Potenz > 0,8, Signifikanz < 0,05) basierend auf unseren vorläufigen Daten zeigt, dass 8 Teilnehmer erforderlich sind (12); Unser Ziel ist es, 12 Freiwillige beiderlei Geschlechts zu rekrutieren, um die Bevölkerung besser zu repräsentieren, und nicht, um Geschlechtsunterschiede zu untersuchen. Von den Teilnehmern wird eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Wir rechnen mit einer Abbrecherquote von <5 %.

Einschlusskriterien

• Im Alter von 19 bis 40 Jahren
• Regelmäßig körperlich aktiv, ermittelt durch Fragebögen

Ausschlusskriterien

• Aktuelle Raucher
• Akutes Asthma bronchiale, chronisch obstruktive Atemwegserkrankung oder Status asthmaticus
• Fettleibig (Body-Mass-Index über 30 kg m-2)
• Erfordert täglich verschreibungspflichtige Medikamente, die die Reaktion auf körperliche Betätigung beeinflussen können, z. B. blutdrucksenkende Mittel, Antiarrhythmika und Inhalatoren
• Vorgeschichte von Krankheiten/Funktionsstörungen, die zu Komplikationen beim Training führen könnten, z. B. Herz-Kreislauf-, Atemwegs-, neurologische oder Muskel-Skelett-Erkrankungen
• Unregelmäßiger oder fehlender Menstruationszyklus (Frauen)
• Schwanger oder vermutet schwanger oder nach der Menopause (Frauen)
• Alle unerwarteten unerwünschten Reaktionen auf vorexperimentelle Belastungstests
• Jede Kontraindikation für einen lumbalen Subarachnoidalzugang

Screening/Basisbewertung

Die oben genannten Einschluss- und Ausschlusskriterien werden anhand eines Gesundheits-Screening-Fragebogens und eines von einem Arzt durchgeführten klinischen Screenings überprüft. Dieses Screening umfasst:

• Ruheblutdruck,
• 12-Kanal-Elektrokardiogramm,
• Kardiopulmonale Belastungstests,
• Nüchternblutzucker.

Abbruchkriterien

• Jegliche unerwünschte Reaktion auf invasive Eingriffe, d. h. Katheterisierung und Probenahme von Liquor (siehe unten „Risiken“).

Zusätzlich zu den oben genannten und gemäß den Richtlinien des UBC Clinical Research Ethics Board können alle Forschungsteilnehmer jederzeit und ohne Angabe von Gründen von der Studie zurücktreten.

Experimentelle Verfahren

Die Teilnehmer werden das Labor zweimal besuchen. Einzelheiten zu den experimentellen Besuchen sind unten aufgeführt:

1. Nahrungsergänzung und passive Infusionen von Laktat und Ketonen

   Die Teilnehmer kommen eine Stunde nach dem Verzehr einer leichten Mahlzeit ihrer Wahl im Labor an. Die Teilnehmer liegen auf einem Bett und werden mit Verweilkathetern der Arteria radialis und der Vena jugularis interna ausgestattet. Eine Stunde nach der Katheterisierung wird der zerebrale Blutfluss nicht-invasiv durch Duplex-Ultraschall der inneren Halsschlagader und der Wirbelarterien gemessen. Es werden Blutproben aus dem arteriellen und venösen Kreislauf entnommen, um Ruhemessungen des oxidativen Stoffwechsels und des Substratstoffwechsels (Glukose, Ketone und Laktat) im Gehirn durchzuführen. Eine einzelne Liquorprobe wird aus der Lendenwirbelsäule zwischen L4 und L5 entnommen. Dieses Verfahren wird von einem hochqualifizierten Arzt durchgeführt, der diese Techniken nahezu täglich routinemäßig bei der Patientenversorgung einsetzt. Anschließend wird das primäre Keton Beta-Hydroxybutyrat (Bhb) schrittweise über eine Ellenbogenvene (Armvene) infundiert, um zirkulierende Konzentrationen von 1, 3 und 5 mmol/l zu induzieren. Nach einer vollständigen Erholung, d. h. Rückkehr der Bhb-Konzentration zu den Ruhewerten, wird schrittweise intravenöses Laktat infundiert, um zirkulierende Konzentrationen von 5, 10 und 15 mmol/l zu induzieren. Nach einer vollständigen Erholung des Laktatspiegels im Blut wird eine intravenöse kombinierte Infusion (Bhb und Laktat) verabreicht, um zirkulierende Konzentrationen von 3 bzw. 10 mmol/l zu induzieren. Anschließend erhalten die Teilnehmer eine leichte, standardisierte Mahlzeit und 1 Stunde Zeit zum Ausruhen und Verdauen. Abschließend verabreichen sich die Teilnehmer selbst eine Einzeldosis intranasales Insulin vor und nach Abschluss von 6-minütigen hochintensiven Fahrradintervallen. Nach der letzten intranasalen Insulindosis werden die Teilnehmer am Ende des Besuchs von ihren Instrumenten befreit. Die Gesamtzeit für diesen Besuch wird auf 3-4 Stunden geschätzt.

2. 72-stündiges Fastentraining und passive Infusionen von Laktat und Ketonen

Dieser Besuch ist identisch mit Bedingung 1, mit der Ausnahme, dass die Teilnehmer 72 Stunden lang nüchtern im Labor ankommen und bis zum Abschluss aller experimentellen Verfahren keine leichte Mahlzeit erhalten. Vor Beginn des Fastens werden die Teilnehmer mit einem kontinuierlichen Glukosemessgerät ausgestattet, damit die Forscher ihren Blutzucker während des Fastens verfolgen können. Daher wird die Gesamtzeit für diesen Besuch ebenfalls auf 3-4 Stunden geschätzt.

Hochintensives Trainingsprotokoll. Die Teilnehmer absolvieren sechs 40-sekündige Radtouren mit einem Arbeitstempo, das 100 % maximale aerobe Leistung (V̇O2max) hervorruft, gefolgt von 20 s aktiver Erholung bei 25 % VO2max. Wir haben gezeigt, dass diese Übung den Laktatspiegel sowohl im nüchternen als auch im nüchternen Zustand um mehr als das Fünffache erhöht (12).

Randomisierung der Bedingungen. Die Reihenfolge der Bedingungen, d. h. gefüttert oder nüchtern, wird randomisiert. Es ist unmöglich, die Teilnehmer hinsichtlich der Nahrungs- und Fastenbedingungen blind zu machen, da das Fasten vor dem Besuch im Labor eine Enthaltung der Nahrungsaufnahme erfordert. Die Forscher werden nicht geblendet, da sie die Probanden während des Fastens überwachen, bevor sie das Labor besuchen.