Mechanismen der zerebrovaskulären Kontrolle

Einleitung Es ist allgemein anerkannt, dass eine Insulinresistenz bei MetSyn das Risiko für zerebrovaskuläre Erkrankungen (CVD) und Schlaganfälle erhöht. Darüber hinaus wird MetSyn mit kognitiven Beeinträchtigungen und einem erhöhten Risiko für neurodegenerative Erkrankungen in Verbindung gebracht. Trotz eines starken Zusammenhangs mit schlechter zerebrovaskulärer Gesundheit in MetSyn bleibt die Reaktion des zerebralen Blutflusses (CBF) auf akute Insulinstöße beim Menschen weitgehend unerforscht. Zerebrovaskuläre Dysfunktion als Reaktion auf Insulin und potenzielle Mechanismen, die CBF abschwächen, können nicht nur die zentralen Grundlagen der Pathophysiologie von Schlaganfall und CVD hervorheben, sondern auch wichtige Erkenntnisse zum Verständnis des kognitiven Rückgangs liefern, der stark mit älteren Personen mit MetSyn verbunden ist. Daher ist die Etablierung der Mechanismen der insulinvermittelten zerebrovaskulären Kontrolle nicht nur wichtig für die Verringerung der Sterblichkeit bei MetSyn, sondern kann auch für die Aufrechterhaltung der Gehirngesundheit von grundlegender Bedeutung sein. Insulin-vermittelte Vasodilatation ist größtenteils ein vaskulärer Endothel-abhängiger Prozess. Elegante Experimente mit Tiermodellen deuten darauf hin, dass die Insulinresistenz sechs endotheliale Signalwege stört, wobei die stärksten Beweise für einen Verlust der Stickstoffoxid (NO)-Vasodilatation und eine übertriebene Endothelin (ET-1)-Verengung sprechen. Die Literatur weist darauf hin, dass bei MetSyn eine Insulinspitze zu Vasokonstriktion und zerebraler Hypoperfusion führt. Diese Befunde sind richtungsweisend entgegengesetzt zu keiner Änderung oder Insulin-vermittelter Vasodilatation und Erhöhung des CBF, über die in der Literatur berichtet wird. Es gibt Hinweise darauf, dass die ungekoppelte Funktion der Stickoxidsynthase (NOS) zu einem ungünstigen Gleichgewicht zwischen NO, reaktiven Sauerstoffspezies und ET-1 führt. Normalerweise sollte die Stimulation des Insulinrezeptors auf dem vaskulären Endothel eine Umgebung bereitstellen, in der NOS NO herstellt, was zu einer Vasodilatation und Hemmung von ET-1 führt. Stattdessen stimuliert Insulin in MetSyn den Vasokonstriktor ET-1 stärker, während NOS entkoppelt wird und reaktivere Sauerstoffspezies erzeugt, die das erzeugte NO abfangen, was eher zu einem stärkeren Vasokonstriktorsignal als zu einer Vasodilatation führt.

Spezifische Ziele/Studienziele

Spezifische Ziele:

Die zentrale Hypothese ist, dass die vasodilatatorischen Wirkungen von Insulin bereits beim metabolischen Syndrom aufgrund des Verlusts von Dilatator- und Verstärkung von Constrictor-Signalen beeinträchtigt sind. Die zerebrale Vasodilatation gegenüber Insulin ist weitgehend endothelabhängig. Neue Hinweise in Tiermodellen deuten darauf hin, dass Insulinresistenz mindestens sechs endotheliale Signalwege stört, die potenzielle Ziele sein könnten, und dieser Vorschlag konzentriert sich auf zwei, die höchstwahrscheinlich CBF in MetSyn reduzieren: 1) Verlust der Stickstoffmonoxid (NO)-Vasodilatation und 2) Übertrieben Endothelin (ET-1)-Verengung. Diese Experimente werden drei spezifische Ziele ansprechen:

Ziel 1: Überprüfung der Hypothese, dass physiologische Insulinstöße die CBF bei jungen Erwachsenen akut erhöhen, aber Erwachsene mit MetSyn eine paradoxe Insulin-vermittelte Vasokonstriktion aufweisen.

Ziel 2: Testen der Hypothesen, dass Schlüsselmechanismen, die für schlechtes CBF in MetSyn verantwortlich sind, Verschiebungen in der NO- und ET-1-Signalgebung sind. Insbesondere bei gesunden Kontrollen vermittelt NO eine robuste Dilatation mit geringer bis keiner ET-1-Verengung. Im Gegensatz dazu zeigen Erwachsene mit MetSyn eine ungekoppelte NO-Synthase (NOS) und eine übertriebene ET-1-Verengung.

Ziel 3: Überprüfung der Hypothese, dass die Insulinregulation von CBF regional unterschiedlich ist (z. MCA reaktiver als ACA oder basilar), und die negativen Wirkungen von IR sind ähnlich regional spezifisch.

Hypothesen:

• Erwachsene mit metabolischem Syndrom zeigen als Reaktion auf einen OGTT eine reduzierte zerebrale Vasodilatation
• Die NOS-Hemmung reduziert die CBF-Antworten (Δ CVC/Δ-Insulin) bei mageren Kontrollpersonen auf das Niveau des metabolischen Syndroms, während sie die CBF-Antworten beim metabolischen Syndrom erhöht, was darauf hindeutet, dass das metabolische Syndrom eine entkoppelte NOS-Funktion hat
• Die ET-1-Hemmung erhöht die CBF-Antworten (Δ Cerebral Vascular Conductance Index (CVCi)/Δ Insulin) bei mageren Kontrollen und metabolischem Syndrom. Beim metabolischen Syndrom wird es jedoch deutlich stärker zunehmen.
• Die MCA reagiert stärker auf Insulinstöße als andere Hirnarterien

Studienendpunkte: Veränderung der zerebralen Gefäßleitfähigkeit (CVC, ml/min/100 mmHg) relativ zur Veränderung der Insulinkonzentration im Blut nach Glukosekonsum.

Themen Es werden 60 Teilnehmer (30 pro Gruppe) rekrutiert. Die Feststellung der Berechtigung erfolgt in zwei Schritten. Der erste Schritt besteht darin, dass alle Teilnehmer ein erstes Screening absolvieren, um festzustellen, ob sie sich für den Screening-Besuch qualifizieren. Vorläufig geeignete Probanden werden zur Einverständniserklärung und zum formellen Screening in das Forschungslabor eingeladen.

Während des Screening-Besuchs im Forschungslabor füllen die Probanden eine Einverständniserklärung, einen Fragebogen zur Anamnese, ein MRT-Sicherheits-Screening-Formular und einen Fragebogen zur körperlichen Aktivität aus. Außerdem werden Körpergröße, Gewicht, Blutdruck sowie Taillen- und Hüftumfang erhoben. Zusätzlich wird eine venöse Blutprobe für Glukose- und Lipidtests entnommen, um die Eignung zu bestimmen. Wenn der Screening-Besuch zeigt, dass eine Anomalie oder Kontraindikation für die Teilnahme vorliegt, die von den zusammengefassten Ausschlusskriterien abgedeckt oder nicht abgedeckt ist, wird dem potenziellen Probanden die Teilnahme verweigert. Zusammenfassend werden die Probanden während des Screening-Besuchs im Labor die folgenden Aktivitäten erleben:

Methoden Nach dem anfänglichen Screening und einem Screening-Besuch umfasst die Teilnahme an dieser Studie zwei separate MRT-Studienbesuche (Kochsalzinfusion als Placebo versus L-NMMA-Infusion zur oralen Hemmung von NOS ODER Ambrisentan (nur männliche Teilnehmer) versus Laktose-Placebo oral zur Hemmung von ET -1). Die Probanden werden in einen experimentellen Zustand versetzt (Placebo/L-NMMA oder Placebo/Ambrisentan), basierend auf der Anzahl der Probanden, die benötigt werden, um die statistische Aussagekraft aufrechtzuerhalten. Für die Ambrisentan-Studie müssen die Probanden aufgrund möglicher schädlicher Wirkungen des Arzneimittels auf den Fötus männlich sein. Sobald eine experimentelle Bedingungsgruppe zugewiesen wurde, wird die Arzneimittelverordnung (Placebo/Medikament) in einer zufällig zugewiesenen, gegengewichteten Einzelblindweise durchgeführt. Die experimentellen Verfahren sind an allen Testtagen identisch, mit Ausnahme dessen, welches Medikament infundiert wird. Während jedes Besuchs werden die Probanden im MRT-Scanner auf Herzfrequenz, Blutdruck, endtidales Kohlendioxid und verbale Kommunikation unerwünschter Symptome (wie fühlt sich der Proband) überwacht.

Schwangerschaftstest: Alle weiblichen Probanden müssen vor jedem Studienbesuch (Placebo oder Medikament) einen negativen Schwangerschaftstest im Urin haben, um sicherzustellen, dass sie zum Zeitpunkt jedes Studienbesuchs nicht schwanger sind. Frauen werden nicht in die Ambrisentan-Studie aufgenommen, selbst wenn ihr Schwangerschaftstest negativ ist.

Venenpunktions-Blutprobe: Während des Screening-Besuchs wird Blut (bis zu 20 ml) mittels Venenpunktion entnommen, um es auf Nüchternglukose und Serumlipide zu analysieren.

Die Probanden verzichten auf Bewegung, Koffein und NSAIDs und fasten vor allen experimentellen Versuchen ≥ 10 Stunden.

Intravenöser Katheter: Geschultes Personal platziert zwei intravenöse Katheter. Die Platzierung der Katheter erfolgt in allen Armvenen, die für einen einfachen Zugang als am besten geeignet erachtet werden. Bei jedem der beiden Studienbesuche wird jedoch einer in die Ellenbogengrube (Infusion) und einer in die Ellenbogen-, Hand- oder Handgelenksvene (Blutprobe) des gegenüberliegenden Arms gelegt. Der IV-Katheter zur Blutentnahme wird verwendet, um während jedes Studienbesuchs zu bestimmten Zeitpunkten bis zu 15 ml Blutproben zu entnehmen, um die Konzentrationen von Glukose und Insulin sowie Entzündungsmarker und oxidativen Stress zu messen. Alle Verfahren sind während jeder Studie identisch (Placebo/L-NMMA/BQ123). Die spezifischen Zeitpunkte, die aufgrund kleiner Schwankungen der MRT-Scanzeiten ungefähr sind, lauten wie folgt:

• Baseline, vor Baseline-PC-VIPR-Scan
• Vor PC VIPR-Scan 1 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 2 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 3 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 4 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 5 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 6 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 7 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 8 nach OGTT
• Vor PC VIPR-Scan 9 nach OGTT

Intravenöse Infusion:

I. NOS-Hemmung: L-NMMA ist ein potenter nicht-selektiver NOS-Inhibitor, der zur Untersuchung der Gefäßphysiologie verwendet wird. L-NMMA wird mit 3 mg/kg Körpergewicht/h als Bolus (über 10 min) infundiert, gefolgt von einer Erhaltungsinfusion von 1 mg/kg/h für die Dauer des Experiments. Es hat sich gezeigt, dass die systemische Verabreichung von L-NMMA den Blutdruck um ~8-15 mmHg erhöht, was innerhalb des Bereichs liegt, der während des Trainings beobachtet wird.

II. Placebo: Die Placebo-Infusionsraten werden unter Verwendung der gleichen Formeln für die L-NMMA-Infusion bestimmt, wobei das letzte Screening-Gewicht des Probanden verwendet wird. Idealerweise wird die Kochsalzlösung in derselben Rate und Menge infundiert wie der entsprechende Medikamentenbesuch. Patienten, die erneut untersucht werden und eine Gewichtsveränderung aufweisen, können jedoch eine Salzlösungs-Infusionsrate haben, die leicht von der L-NMMA-Infusionsrate abweicht.

Eine kleine Diskrepanz zwischen Kochsalzlösung und Medikamenteninfusionsrate ist aus wissenschaftlicher Sicht unbedeutend, da es bereits Schwankungen in der Menge an Kochsalzlösung gibt, die der Proband erhält, da sie verwendet wird, um die Infusion (1-5 ml) bei jeder Blutentnahme (bis zu 10 ml) zu spülen 10 Blutabnahmen).

ET-1 – Inhibitionsstudien (15 Kontrollen, 15 MetSyn) (Ambrisentan-Arm):

I. ET-1-Hemmung: Ambrisentan ist ein Antagonist des ETA-Rezeptors. Die Probanden erhalten 90-150 Minuten vor dem OGTT 10 mg Ambrisentan in Tablettenform. Diese Wirkstoffklasse wurde zur Erforschung der ET-1-Signalgebung bei Diabetes, Fettleibigkeit und Bluthochdruck eingesetzt (Bruno, Sudano, Ghiadoni, Masi & Taddei, 2010; Lteif, Vaishnava, Baron & Mather, 2007; Mather, Mirzamohammadi, Lteif , Steinberg & Baron, 2002). ETA-Rezeptoren vermitteln am ehesten eine übermäßige Konstriktion bei MetSyn-Patienten. Ambrisentan wird oral eingenommen. Es hat sich gezeigt, dass die systemische Abgabe von Endothelin-Antagonisten bei chronischer Dosierung den systolischen Blutdruck um 4,5 ± 10 mmHg und den diastolischen Blutdruck um 3 ± 7,5 mmHg bei Hypertonikern senkt und den mittleren arteriellen Druck bei Adipositas nicht verändert (Bruno et al., 2010; Mather et al., 2010; Spratt et al., 2001).

II. Placebo: Placebo-Tabletten, die in Größe und Form Ambrisentan ähneln, werden als Placebo-Kontrolle verwendet.

Magnetresonanztomographie (MRT): Eine 3-Tesla-MRT wird verwendet, um den zerebralen Blutfluss zu quantifizieren und die zerebrale Gefäßstruktur zu bestimmten Zeitpunkten während der Studienbesuche (zu Studienbeginn und während der Behandlungsbedingungen) zu erfassen. Es wird zu keinem Zeitpunkt ein Kontrastmittel verwendet. Das Subjekt befindet sich für einen anfänglichen Grundlinienscan und während der experimentellen Versuche im Scanner. Alle Scans werden innerhalb des vorgeschlagenen Zeitplans für experimentelle Versuche durchgeführt. Im Scanner werden die Probanden auf Herzfrequenz, EKG, endtidales Kohlendioxid (CO2) und Blutdruck überwacht. Der Scanner ist in der Lage, diese Daten zu erfassen, mit Ausnahme des endtidalen CO2, das mit einem Subjektmonitor erfasst wird. Zusätzlich zu Standard-Pulssequenzen, die üblicherweise für klinische Zwecke erhalten werden (Localizer, Standard-MR-Angiographie für die Gefäßanatomie (ohne Kontrastmittel), 2D-Phasenkontrast-MRI für geschwindigkeitskodierte Messungen), usw.; 'basic sequences') wird ein an der University of Wisconsin-Madison entwickeltes Akquisitionsschema verwendet. Dieses Schema, PC VIPR (phasenkontrastweit unterabgetastete isotrope Projektionsrekonstruktion) ist einzigartig in seiner Fähigkeit, volumetrische Datensätze mit Geschwindigkeitskodierung in drei Richtungen und hoher räumlicher Auflösung in relativ kurzen Scanzeiten zu erfassen. Alle in dieser Studie verwendeten Impulssequenzen sind so konzipiert, dass sie innerhalb der aktuellen Richtlinien für dB/dt bleiben, die von der FDA festgelegt wurden.

Oraler Glukosetoleranztest (OGTT): Der Proband trinkt innerhalb von 5 Minuten destilliertes entionisiertes Wasser (300 ml) mit 75 g Glukose. Dies ist die Standardverwaltung von OGTT.

Wiedereinschreibung: Männliche Probanden, die die Studie vollständig abschließen, haben die Wahl, sich erneut einzuschreiben und den Teil der Studie abzuschließen, an dem sie nicht teilgenommen haben. Die Probanden werden erneut überprüft, um die Eignung zu bestimmen, und werden mindestens 1 Woche nach Abschluss der Studie getrennt. Darüber hinaus nehmen sie nur an L-NMMA oder Ambrisentan teil (was auch immer sie nicht im anderen Flügel der Studie abgeschlossen haben), sie müssen den Kontroll-/Kochsalzlösungsbesuch nicht wiederholen.