Metabolische und muskuläre Anpassungen während Inaktivität in 3 Tagen Bettruhe

Bettruhe ist ein weithin akzeptiertes experimentelles Modell, das verwendet wird, um physiologische Anpassungen an die Raumfahrt zu untersuchen, einschließlich Knochen- und Muskelmasseverlust, Flüssigkeitsverschiebung und kardiovaskulärer Dekonditionierung. Im Allgemeinen werden die Teilnehmer gebeten, eine Zeit lang im Bett zu verbringen, wobei alle Aktivitäten des täglichen Lebens in einer horizontalen oder mit dem Kopf nach unten geneigten (HDT) Position ausgeführt werden, wodurch die Verwendung aller Muskeln minimiert und signifikante physiologische Anpassungen bewirkt werden, die denen ähneln, die während der Studie beobachtet wurden Weltraumflug. Es wurde eine beträchtliche Anzahl von Bettruhestudien am Menschen mit einer Dauer von 3 bis 370 Tagen durchgeführt. Allerdings gibt es derzeit Lücken in unserem Verständnis von; die Rate und das Ausmaß der physiologischen Dysregulation, die während der tatsächlichen und simulierten Mikrogravitation auftritt (da die meisten Studien bisher hauptsächlich die Zeitpunkte vor und nach der Bettruhe berücksichtigt haben); die Stellen und Mechanismen, die die durch Bettruhe induzierte Dysregulation kontrollieren; ob die Prozesse, die akuten physiologischen Veränderungen zugrunde liegen, die gleichen sind wie die längerfristigen. Die Verbesserung unseres Verständnisses dieser Probleme würde es ermöglichen, Interventionen zur Minimierung der durch Bettruhe verursachten physiologischen Dysregulation am effektivsten auf Zeiträume zu konzentrieren, in denen die Rate des Auftretens der physiologischen Dysregulation wahrscheinlich am größten ist. Dies würde dann zu künftigen Erfolgen in der verlängerten bemannten Raumfahrt beitragen, z. eine bemannte Mission zum Mars, denn ein Verständnis der Ätiologie und des zeitlichen Verlaufs der physiologischen Dysregulation, die mit einer längeren Exposition gegenüber Mikrogravitation einhergeht, würde die Umsetzung wirksamer Gegenmaßnahmen ermöglichen. Darüber hinaus bieten Bettruhemodelle eine einzigartige Gelegenheit, die Folgen der Bettruhe für diejenigen zu untersuchen, die aufgrund von Krankheit oder Verletzung während eines Krankenhausaufenthalts möglicherweise längere Zeiträume der Inaktivität erleiden.

Inaktivität wird mit der Entwicklung einer Insulinresistenz in Verbindung gebracht und trägt zur Entwicklung vieler moderner Stoffwechselerkrankungen bei, einschließlich Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes, Dyslipidämie und Bluthochdruck (1,2); wobei körperliche Inaktivität als Hauptursache für 27 % der Fälle von Diabetes und 30 % der Fälle von ischämischer Herzkrankheit genannt wird. Der zeitliche Verlauf, die relative Gewebespezifität (Leber vs. Muskel) und die mechanistische Grundlage der inaktivitätsinduzierten Insulinresistenz und ihre Umkehrung durch Remobilisierung stellen jedoch große Lücken in unserem derzeitigen Verständnis dar. Darüber hinaus ist die Insulinresistenz eine Beobachtung mit mehreren möglichen Ätiologien, und die Mechanismen, die an der Entwicklung dieses Zustands bei kurzfristiger Bettruhe/Immobilisierung beteiligt sind, können sich von denen unterscheiden, die bei längerfristiger/chronischer Inaktivität auftreten. Weitere Forschung auf diesem Gebiet ist daher gerechtfertigt.

Die aktuelle Studie ist Teil eines größeren Projekts, das eine 60-tägige Langzeit-Bettruhestudie umfasst, die in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation am Institut Médecine Physiologie Spatiale in Toulouse, Frankreich, durchgeführt und mit den aktuellen Maßnahmen verglichen wird im Langzeit-Bettruhe-Experiment durchgeführt.

Einlaufphase; Nach einem erfolgreichen medizinischen Screening beginnen die Teilnehmer eine „Run-in“-Phase, während der ihr gewohntes Aktivitätsniveau durch Akzelerometrie bewertet wird. Der individuelle Energiebedarf wird unter Verwendung der modifizierten Harris-Benedict-Reststoffwechselgleichung und des Faktors für das körperliche Aktivitätsniveau und einer standardisierten Ernährung (Makronährstoffzusammensetzung (ausgedrückt als Prozentsatz der gesamten Nahrungsenergieaufnahme) aus ~ 55 % Kohlenhydraten, ~ 30 % Fett und ~15 % Protein) wird für die 3 Tage vor der ersten experimentellen Sitzung bereitgestellt. Am Tag vor dieser Sitzung werden die Teilnehmer gebeten, auf anstrengende Übungen zu verzichten und ab Mitternacht zu fasten und ab dieser Zeit nur noch Wasser zu sich zu nehmen. Bei der Ankunft wird ein Dual-Energy-Röntgen-Absorptiometrie-Scan (DEXA) durchgeführt, um die Fettmassen am ganzen Körper und an den Beinen zu charakterisieren. Der Teilnehmer wird dann gebeten, sich in Rückenlage (ein Kissen) auf ein Krankenhausbett zu legen, und Muskelvolumen- und -architekturmessungen werden durch Ultraschallbildgebung des M. vastus lateralis unter Verwendung einer 100-mm-Linear-Array-13-4-Megahertz-Sonde bestimmt. Dadurch wird eine globale Darstellung der Anatomie des Quadrizepsmuskels bereitgestellt, um die Berechnungen der Glukoseaufnahme in den Beinen zu standardisieren und den Beitrag der Muskelmasse und des intramyozellulären Lipids zur Insulinresistenz der Beine zu bestimmen. Muskelbiopsieproben werden aus dem Vastus lateralis vor und unmittelbar nach einer 3-stündigen hyperinsulinämischen euglykämischen Klammer entnommen (3). Muskelbiopsien werden mit der Bergström-Technik unter sterilen Bedingungen nach Injektion eines Lokalanästhetikums entnommen. Es wird ein anterograder femoraler Venenkatheter gelegt (Ultraschall-gesteuert nach Seldinger-Technik), um aus dem Bein abfließendes venöses Blut auf Glukosekonzentration zu analysieren und mit der Glukosekonzentration arterialisiert-venöser Blutproben zu vergleichen (Zeitpunkte 0, 150, 160, 170 und 180 Minuten). Gleichzeitig mit der Blutentnahme aus der Femoralvene wird mittels Ultraschall eine Beurteilung des Blutflusses der Femoralarterie (mmol/min) durchgeführt, um die Glukoseaufnahme in den Beinen berechnen zu können. Indirekte Kalorimetrie wird vor und in den letzten 15 Minuten der 180-minütigen hyperinsulinämisch-euglykämischen Klemme durchgeführt.

Am Tag nach dem „Clamp“-Besuch wird ein 3-Tesla-Magnetresonanzspektroskopie-Scan (MRS) durchgeführt, um den Gehalt an intramyozellulärem Lipid (IMCL), extramyozellulärem Lipid (EMCL) und hepatischem Triglycerid zu bestimmen. Es wird auch eine Magnetresonanztomographie (MRT) durchgeführt, um die Querschnittsfläche der Oberschenkelmuskulatur und die Gesamtkörpermuskelmasse zu bestimmen. Nach den Magnetresonanz (MR)-Scans werden die Teilnehmer einer kurzen propriozeptiven Bewertung der unteren Extremitäten auf einem speziell entwickelten somatosensorischen Gerät unterzogen, das als Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA) bezeichnet wird. Die Teilnehmer stehen auf dem Gerät und lassen jeden Knöchel durch 5 verschiedene Inversionswinkel bewegen und werden gebeten, den Grad der Knöchelposition zu bewerten. Diese Methode wurde zur Bestimmung der propriozeptiven Diskriminierung validiert und wird nach der am Tag 4 durchgeführten MR wiederholt, um die Unterschiede vor und nach der Bettruhe zu beurteilen.

Vor Beginn der Bettruhezeit werden Speichel- und Urinproben zur Messung der Hintergrundkennzeichnung von Kreatin, Kreatinin, Wasser und 3-Methylhistidin (MH) mit Deuterium entnommen. Anschließend erhalten die Teilnehmer ein Getränk mit stabilen Isotopen-Tracern; deuteriertes Kreatin (D3-Kreatin 30 mg; zur Messung der Muskelmasse des gesamten Körpers) und deuteriertes oder „schweres“ Wasser (D2O, 3 g/kg Körpergewicht, aufgeteilt in 3 Aliquots im Abstand von 20 min eingenommen, zur Messung der Muskelproteinsynthese (MPS ) aus Muskelgewebe-Inkorporationsmessungen). Zwei Stunden nach dem Verzehr der letzten D2O-Dosis wird eine Speichelprobe entnommen, um den Ausgleich von D2O im gesamten Körperwasserpool zu messen. Eine 24-Stunden-Urinsammlung wird innerhalb von 24 Stunden nach der D3-Kreatin-Einnahme durchgeführt, und eine Punkturinprobe wird nach 36 Stunden, 48 Stunden und 72 Stunden entnommen. Der Urin wird auf D3-Kreatin analysiert, um „Spillover“ zu berücksichtigen, und die D3-Kreatinin-Kennzeichnung, die die Verdünnung der Kennzeichnung im Ganzkörper-Kreatin-Pool widerspiegelt. Die Größe des Gesamtkörper-Kreatinpools und die Muskelmasse werden aus der D3-Kreatinin-Anreicherung im Urin nach 72 Stunden berechnet, nachdem jeder Verlust von D3-Kreatin direkt in den Urin berücksichtigt wurde. Darüber hinaus nehmen die Teilnehmer 24 Stunden vor Beginn der Bettruhe (Tag -1) den Tracer Methyl-D3-3-Methylhistidin (10 mg, D3-MH zur Messung des Myofibrillenabbaus der gesamten Körpermuskulatur) in einem Getränk ein. Weitere 10 mg werden am 2. Tag der Bettruhe verabreicht, mit Blutüberwachung am 3. Tag.

Bettruhephase; Die Teilnehmer kommen am Morgen des ersten Tages um 8:00 Uhr in der Einrichtung an, nachdem sie am Vorabend ab 22:00 Uhr fasten. Zur Simulation der physiologischen Wirkungen der Mikrogravitation wird das Bett in einer 6°-Kopf-nach-unten-Neigungsposition (HDT-Position) gehalten. Eine Bard-Mikronadel-Muskelbiopsie wird durchgeführt und am nächsten Morgen (Tag 2 der Bettruhe) wiederholt, um die kumulative Muskelproteinsynthese über die ersten 24 Stunden der Bettruhe zu beurteilen. An jedem Tag nach der Biopsie wird eine anterograde Venenkanüle in den Arm eingeführt, um stündlich für insgesamt 6 Stunden Blut zu entnehmen, um die D3-MH-Markierung zu messen.

An den Tagen 1 und 3 der Bettruhe werden den Teilnehmern D2O-Auffüllungen (berechnet aus den Wasserumsatzraten) zur Verfügung gestellt, um die D2O-Anreicherung aufrechtzuerhalten. Eine Speichelprobe wird zur Messung der D2O-Körperwasseranreicherung und eine Urinprobe zur D3-Kreatinin-Kennzeichnung entnommen.

Während der Bettruhe bleiben die Teilnehmer 24 Stunden am Tag im Bett. Alle Aktivitäten des täglichen Lebens wie hygienische Verfahren, Essen, Lesen und „auf die Toilette gehen“ (Benutzung von Bettpfannen und Urinflaschen) finden statt, während für die Dauer der Studie die Kopf-nach-unten-Position beibehalten wird. Die Teilnehmer dürfen sich von einer Seite zur anderen bewegen (von der Rücken- in die Bauch- oder Seitenlage), dürfen sich jedoch zu keiner Zeit aufsetzen oder stehen. Die Verwendung eines kleinen flachen Kissens ist erlaubt, solange die Schultern noch die Matratze berühren. Die Nahrungsaufnahme wird kontrolliert, wobei ein Aktivitätsmultiplikator von 1,2 verwendet wird, um den täglichen Energieaufnahmebedarf zu bestimmen. Fünf tägliche Mahlzeiten (Frühstück, Vormittagsjause, Mittagessen, Nachmittagsjause und Abendessen) werden durchgehend zur gleichen Tageszeit serviert. Die Teilnehmer werden ermutigt, alle bereitgestellten Lebensmittel zu verzehren. Sie können weniger als vorgesehen verzehren, erhalten aber keine zusätzliche Nahrung. Jedes Lebensmittel wird auf einer Präzisionswaage (±0,1 g) gewogen, und wenn die Teilnehmer nicht alle angegebenen Lebensmittel essen, werden die nicht verzehrten Lebensmittel erneut gewogen und der Wert vom ursprünglichen Gewicht abgezogen, um die tatsächliche Nahrungsaufnahme zu ermitteln. Die Probanden halten einen strikten Tag-Nacht-Rhythmus ein. Sie werden um 7:00 Uhr geweckt und das Licht geht um 23:00 Uhr aus.

Am Morgen des 4. Tages, nach einem Fasten über Nacht, werden die Teilnehmer dem zweiten "Clamp"-Tag wie oben beschrieben unterzogen (Ultraschalluntersuchung des Oberschenkels, indirekte Kalorimetrie, Femoralvenenkanülierung, Muskelbiopsien und eine euglykämische hyperinsulinämische Klemme). Danach erfolgt eine schrittweise, überwachte Rückkehr in das „aufrechte“ Bett mit kontinuierlicher kardiovaskulärer Überwachung, um eine posturale Hypotonie zu vermeiden. Die Teilnehmer bleiben im Bett, dürfen aber bis zum Morgen des 5. Tages in aufrechter Position sitzen.

Nachbettruhephase; Am Morgen des fünften Tages werden die Teilnehmer (ohne Belastung) in einen Rollstuhl gesetzt und dann für ihre MR-Scans nach der Bettruhe zum 3-Tesla-MR-Scanner transportiert. Sie müssen am Vorabend ab 22:00 Uhr nüchtern sein. Nach den MR-Scans werden die Teilnehmer gefüttert und dürfen in einer kontrollierten Umgebung wieder stehen. Sie werden dann in den Fitnesseinrichtungen der Universität von Nottingham einer überwachten Rehabilitation unterzogen, die aus 6 Sätzen mit 8 Wiederholungen (bei 75 % des Maximums) einbeiniger Kniestreckungskontraktionen an einem zufällig zugewiesenen Bein besteht, da gezeigt wurde, dass dies einen anabolen Stimulus liefert (4) und dürfen dann nach Hause zurückkehren. Die Rehabilitationssitzungen dauern etwa 30 Minuten. Sie kehren an den Tagen 6 und 7 der Nicht-Bettruhezeit zurück, um sich weiteren überwachten Rehabilitationssitzungen wie oben zu unterziehen. Während der gesamten Phase nach der Bettruhe wird eine standardisierte Nahrungsaufnahme aufrechterhalten. Um 08:00 Uhr am Morgen des 8. Tages besuchen sie das Labor, um sich einem abschließenden „Clamp“-Besuch zu unterziehen, der aus den gleichen Verfahren besteht, die oben beschrieben sind, mit der folgenden Änderung; Eine Bergström-Muskelbiopsie wird an dem Bein durchgeführt, das vor und nach der euglykämischen hyperinsulinämischen Klemme einem Rehabilitationsübungstraining unterzogen wurde. Eine Bard-Mikronadelbiopsie wird nur vor der 3-Stunden-Klemme am kontralateralen Bein durchgeführt, um die Muskelproteinsynthese zwischen den Beinen zu vergleichen. Schließlich werden am 9. Tag die MRS- und MRT-Scans auf die gleiche Weise wie oben beschrieben durchgeführt. Wenn der letzte MRS-Scan durchgeführt wurde, ist das das Ende des Studienprotokolls.