Elektrische Stimulation zur Dämpfung der Muskelatrophie

Einführung:

Der Skelettmuskel reagiert auf den Stimulus der mechanischen Belastung für Wachstum und Erhaltung. Längerer Rückgang der Muskelaktivität und mechanische Belastung wie Raumflug, Ruhigstellung der Gliedmaßen, Bettruhe und/oder Inaktivität verändern das Gleichgewicht zwischen Proteinsynthese und -abbau, was zu Skelettmuskelatrophie führt (1-3). Dies ist gekennzeichnet durch eine Abnahme der Muskelmasse, der Querschnittsfläche der Myofasern, der Kontraktionskraft und -geschwindigkeit sowie der Umwandlung des Fasertyps von langsam zu schnell (4,5). Es wurde über viele Gegenmaßnahmen berichtet, um den Verlust der Muskelatrophie abzuschwächen, und die neuromuskuläre elektrische Stimulation (NMES) wurde häufig bei Erkrankungen wie Rückenmarksverletzungen, Immobilisierung und Muskelstillstand nach Operationen eingesetzt (6,7). Tatsächlich zeigte ein kürzlich erschienener Cochrane-Review zur Wirksamkeit von NMES bei Muskelschwäche bei Erwachsenen mit fortschreitenden Erkrankungen wie COPD, chronischer Herzinsuffizienz und Krebs, dass NMES ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Muskelschwäche ist (8). Die Metaanalysen umfassten elf randomisierte kontrollierte Studien (RCT) mit insgesamt 218 Teilnehmern. NMES verbesserte die Quadrizepskraft signifikant um eine standardisierte mittlere Differenz (SMD) von 0,9 (95 % Konfidenzintervall (KI) 0,33 bis 1,46). Dies entspricht etwa 25 Newtonmeter (Nm) und ist als klinisch signifikant anzusehen. In ähnlicher Weise zeigte eine andere kürzlich durchgeführte systematische Überprüfung, dass NMES bei der Vorbeugung von Skelettmuskelschwäche bei kritisch kranken Patienten wirksam ist. Acht geeignete Studien mit 172 Patienten wurden in die Analyse eingeschlossen. Von den acht Studien berichteten fünf Studien über eine Steigerung der Kraft oder eine bessere Beibehaltung der Kraft mit NMES, wobei eine Studie eine große Effektgröße hatte (1,44). Zwei Studien fanden einen besseren Erhalt der Muskelmasse mit NMES mit kleinen bis mittleren Effektstärken (0,11-0,39), während in zwei anderen Studien keine signifikanten Vorteile festgestellt wurden (9).

Die Wirksamkeit von NMES ist abhängig vom klinischen Zustand und wird von verschiedenen Stimulationsparametern, insbesondere der Stimulationsfrequenz und -dauer, beeinflusst. Traditionell wurde NMES als das Anlegen eines transkutanen elektrischen Stroms an die neuromuskuläre Verbindung angesehen, der darauf abzielt, das Aktionspotential der motorischen Einheit zu depolarisieren und eine Muskelkontraktion zu induzieren (10). Diese elektrisch induzierte Muskelkontraktion simuliert eine aktive Muskelkräftigung und basiert auf dem Prinzip des Muskeltrainings, dass durch entsprechende Belastung die Muskelkraft gesteigert wird. Um diesen Trainingseffekt zu erzielen, zielen die verwendeten Stimulationsparameter normalerweise darauf ab, eine tetanische Kontraktion mit einer Stromdichte zu erzeugen, die der Proband maximal tolerieren kann (8,9). Dieses derzeit angenommene Stimulationsprotokoll (d. h. Hochfrequenz bei oder über 50 Hz, Amplitude an der maximal tolerierten Grenze und kurze Dauer (30 min bis 1 h), um Muskelatrophie entgegenzuwirken, hat zwei Hauptnachteile. Erstens ist allgemein bekannt, dass eine mechanische Entlastung mit nachteiligen Veränderungen der Struktur und Funktion der Skelettmuskulatur verbunden ist, die durch eine Verringerung der Muskelmasse, der Muskelfaserquerschnittsfläche, der Kontraktionskraft und -geschwindigkeit sowie von langsam zu schnell gekennzeichnet sind Fasertyptransformation (zur Übersicht siehe 11). Daher sind die langsam zuckenden Muskelfasern anfälliger für Entlastungs- oder Nichtgebrauchseffekte als die schnell zuckenden Muskelfasern. Das traditionelle Hochfrequenz-Stimulationsprotokoll (50 Hz) entspricht nicht dem Feuerungsmuster der motorischen Einheit eines langsam zuckenden Muskels. Darüber hinaus würde die hohe Stromdichte während der elektrischen Stimulation unvermeidlich Unbehagen, wenn nicht gar Schmerzen bei den Subjekten verursachen. Die Probanden können die elektrische Stimulation nicht stundenlang vertragen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Anwendung bei Patienten mit Muskelatrophie bei Nichtgebrauch oder bei Patienten mit Muskelschwäche, die durch fortschreitende Erkrankungen verursacht wird, erfolgt. Sehr oft ist die Schmerztoleranz dieser Gruppe von Probanden im Allgemeinen geringer als die der normalen gesunden Probanden. Daher liefert das derzeit angenommene Protokoll möglicherweise nicht unbedingt das bestmögliche Ergebnis von NMES zur Verbesserung der Muskelfunktion. Die vorteilhaften Wirkungen von NMES zur Bekämpfung von Muskelatrophie wurden nicht vollständig genutzt. Eine kürzlich durchgeführte systematische Übersichtsarbeit, die metabolische und strukturelle Veränderungen der Skelettmuskulatur der unteren Extremitäten nach neuromuskulärer elektrischer Stimulation untersucht, identifizierte nur 18 Studien. Acht dieser Studien untersuchten enzymatische Aktivitäten, sieben Studien die Muskelfaserzusammensetzung und 14 die Muskelfasergröße. Von diesen 18 Studien sind nur 9 RCT-Studien, und die methodische Qualität war im Allgemeinen schlecht. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass NMES in der Lage zu sein scheint, günstige Veränderungen der oxidativen Enzymaktivität, des Skelettmuskelfasertyps und der Skelettmuskelfasergröße hervorzurufen. Angesichts der großen Heterogenität der NMES-Protokolle kamen die Autoren zu dem Schluss, dass es keinen eindeutigen Konsens hinsichtlich der Stimulationsfrequenzen für optimale muskuläre Veränderungen gibt (12). Beispielsweise haben Theriault et al. (13) hatten bei 8 gesunden Erwachsenen eine verlängerte elektrische Stimulation des Kniestreckers durchgeführt. Das elektrische Stimulationsprotokoll hatte eine Dauer von 8 Wochen für 8 Stunden pro Tag und 6 Tage pro Woche. Der Stimulationsparameter war von niedriger Frequenz (8 Hz), wobei die Intensität gerade in der Lage war, eine sichtbare Vibration zu erzeugen. Die Ergebnisse deuteten auf eine signifikante Verbesserung der Leistung der Kniestrecker nach 4-wöchiger Stimulation hin. Die Studie ist jedoch keine RCT-Studie und es gibt eine Kontrollgruppe in der Studie. Andererseits hatte eine der RCT-Studien, die die Wirkungen von NMES untersuchte und eine hohe Frequenz (50 Hz), aber eine sehr niedrige Amplitude (ohne Muskelkontraktion) als Placebogruppe einbezog, zufällig gezeigt, dass das Placebo eine bessere Wirkung hatte als die Interventionsgruppe. Die NMES-Gruppe vs. Placebo-Gruppe durch eine SMD von -0,12 (95 % KI: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee und seine Gruppe haben auch gezeigt, dass ein elektrisches Stimulationsprotokoll mit niedriger Frequenz (4 Hz), aber hoher Amplitude (300 mA), 1 Stunde/Tag für 6 Wochen, die Kraft des Quadrizeps bei gesunden, sitzenden Erwachsenen und Patienten mit stabiler chronischer Herzinsuffizienz signifikant erhöhen kann ( 15, 16). Somit legten die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung und diesen klinischen Studien die Notwendigkeit einer weiteren Erforschung eines effektiveren NMES-Stimulationsprotokolls zur Abschwächung der Muskelatrophie nahe.

Zu prüfende Ziele und Hypothesen:

Um diese anzugehen, haben die Ermittler dieses Vorschlags die traditionelle Vorstellung in Frage gestellt, dass NMES mit hoher Frequenz und hoher Amplitude sein sollten. Die Forscher hatten die Hypothese getestet, dass eine niedrige Frequenz und eine niedrige Amplitude bei der Dämpfung der Muskelatrophie wirksam sind, und untersuchten die zellulären Mechanismen, die mit der Muskelentlastung verbunden sind. Unter Verwendung des Tiermodells mit Aufhängung der Hinterbeine haben die Forscher zuvor gezeigt, dass während der Aufhängung der Hinterbeine die Anwendung einer niederfrequenten elektrischen Stimulation bei 20 Hz auf die Soleus-Muskeln mit definierten Zeit- und Pulsparametern den Verlust von Satellitenzellen teilweise rettete und die Faserkreuzung verbesserte. Schnittflächen (17). Die Forscher haben ferner gezeigt, dass die Verwendung eines elektrischen Stimulationsparadigmas mit einer Frequenz von 20 Hz; Dauer: 3 h, zweimal täglich an acht Wochen alte männliche BALB/c-Mäuse, die einer 14-tägigen Hinterbein-Entlastung (HU) unterzogen wurden. Dieses Stimulationsparadigma kann das Proliferationspotential von Satellitenzellen erhöhen sowie den apoptotischen Zelltod bei durch Nichtgebrauch induzierter Muskelatrophie unterdrücken. Morphologisch zeigte das hintere Glied mit elektrischer Stimulation eine signifikante Verbesserung der Muskelmasse, der Querschnittsfläche und der maximalen tetanischen Kraft im Vergleich zum HU-Glied (18). Kürzlich untersuchten die Forscher das optimale Stimulationsprotokoll weiter und zeigten, dass unter den drei niederfrequenten Protokollen, 2, 10 und 20 Hz, die Stimulation bei 2 Hz für 2 × 3 h/Tag die beste Wirkung bei der Abschwächung des Muskelfaserverlusts erzielte. Schnittfläche und Kraft. Dieser Stimulationsparameter führte zu einer 1,2-fachen Steigerung der Satellitenzellproliferation und war wirksam bei der Rettung von Zellen vor Apoptose (19). Mit all diesen ermutigenden Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung glauben die Forscher, dass das vorgeschlagene neue NMES-Paradigma an Probanden mit progressiver Muskelatrophie getestet werden kann. Die Forscher vermuten, dass NMES bei 2 Hz für 2 × 3 h/Tag bei der Abschwächung/Verbesserung der posturalen Muskelatrophie der unteren Extremitäten, nämlich Quadrizeps und Gastrocnemius- und Soleus-Muskelkomplex, wirksam ist.

Untersuchungsplan:

Basierend auf den Erkenntnissen in der vorhandenen Literatur zum derzeit angenommenen NMES-Stimulationsprotokoll zur Abschwächung der Muskelatrophie oder zur Verbesserung der Muskelleistung in verschiedenen Populationen stellten die Forscher die Hypothese auf, dass das vorgeschlagene neue NMES-Paradigma bei der Verbesserung der Muskelquerschnittsfläche (CSA ), Kraft, Ausdauer, Belastungstoleranz, und ist akzeptabler bei Personen, die NMES zur Abschwächung der Muskelatrophie bei verschiedenen Erkrankungen benötigten, insbesondere bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD).