Diät-Synergie bei der Muskelproteinsynthese (POTATO)

1. Vorläufige Tests

   1.1 Vorbereitungen: Die Teilnehmer werden für die vorläufige Testsitzung nach einer nächtlichen Fastenzeit (~10 h keine kalorienhaltigen Lebensmittel/Getränke konsumiert) und nach 72-stündiger Enthaltung von körperlicher Betätigung eintreffen. Vor allen persönlichen Verfahren werden die Teilnehmer über die Verfahren und Risiken im Zusammenhang mit der Teilnahme informiert, indem das Einverständnisformular überprüft wird. Die Teilnehmer werden ermutigt, Fragen zu stellen und ihre Fragen beantwortet zu bekommen, bevor sie gefragt werden, ob sie fortfahren möchten. Die Bestätigung wird durch Unterschrift auf einem Einverständniserklärungsformular dokumentiert.

   1.2 Anthropometrie: Nach Erteilung der Einwilligung werden die Körpergröße und das Gewicht der Teilnehmer gemessen, um zu bestätigen, dass der Body-Mass-Index (BMI) innerhalb der Zulässigkeitsgrenzen (18,5 - 30 kg/m²) liegt. Da die Teilnehmer bereits auf alle anderen Ein- und Ausschlusskriterien untersucht wurden, führt ein geeigneter BMI zur Studienaufnahme und Fortsetzung der vorläufigen Testsitzung. Nach Bestätigung der Studieneignung wird der Blutdruck von einem geschulten Mitglied des Forschungsteams gemessen. Anschließend wird die Körperzusammensetzung mittels Dual-Röntgen-Absorptiometrie (DEXA) gemäß den Herstellerempfehlungen bestimmt. Kurz gesagt, die Teilnehmer werden gebeten, alle Metallgegenstände von ihrer Person zu entfernen, bevor sie von einem geschulten Techniker für eine genaue Messung der fettfreien Körpermasse und Fettmasse positioniert werden. Der Scan dauert etwa 6-10 Minuten, während der der Teilnehmer angehalten wird, sich nicht zu bewegen.

   1.3 Ernährungsgewohnheitenprotokoll: Aktuelle Ernährungsgewohnheiten werden über ein online automatisiertes selbstverwaltetes (ASA24) Ernährungsprotokollsystem bewertet. Die Teilnehmer erhalten während dieser Sitzung ihren individuellen Benutzernamen und Passwort und werden gebeten, an 3 aufeinanderfolgenden Tagen (2 Werktage und 1 Wochenendtag) vor jedem Versuch aufzuzeichnen. Da es online ist, können die Teilnehmer es außerhalb der Einrichtung in ihrer Freizeit ausfüllen.

   1.4 Ruheumsatz: Der Ruheumsatz (RMR) wird mittels indirekter Kalorimetrie bewertet. Dies ist ein nicht anstrengender Test, bei dem der RMR mit einem automatisierten Gasanalysesystem gemessen wird. Dieses Gerät misst den Sauerstoffverbrauch und die Kohlendioxidproduktion als Differenz zwischen eingeatmeten und ausgeatmeten Gaskonzentrationen. Vor Beginn des Tests liegen die Teilnehmer in Rückenlage auf einem Tisch, und eine klare, harte Plastikhaube sowie eine weiche, klare Plastikabdeckung werden über Hals, Kopf und Schultern der Teilnehmer gelegt, um ausgeatmete Gase aufzufangen. Die Teilnehmer liegen dann bewegungslos, ohne einzuschlafen, während die Atemgaskonzentrationen erfasst werden. Der Test endet, wenn der RMR für mindestens 20 Minuten stabil ist (typischerweise ~30 Minuten nach Beginn).

   1.5 Zehn-Wiederholungs-Maximum (10RM) Test: Nach dem Ruheumsatztest wird das 10RM der Teilnehmer für Beinstrecken und Beinpresse getestet. Zu Beginn fahren die Teilnehmer etwa 5 Minuten lang in einem selbstgewählten Tempo auf einem Standard-Fahrradergometer. Anschließend absolvieren die Teilnehmer einen Satz von 8-10 Wiederholungen mit etwa 50 % ihres vorhergesagten 10RM, gefolgt von 1-2 Minuten Pause. Die Last wird dann auf etwa 90 % ihres vorhergesagten 10RM eingestellt. Die Last wird nach jedem erfolgreichen Versuch um 2,5-5,0 % erhöht, bis zum Versagen (typischerweise innerhalb von 5 Versuchen). Zwischen maximalen Versuchen werden 2 Minuten Pause und zwischen Übungen 5 Minuten Pause eingeplant. Zuerst wird Beinstrecken, dann Beinpresse getestet. Bevor sie das Labor verlassen, dürfen die Teilnehmer alle Fragen stellen, die sie haben, bevor die Sitzung abgeschlossen wird.

   1.6 Beschleunigungsmesser: Bevor sie das Labor verlassen, erhalten die Teilnehmer einen Beschleunigungsmesser (Actigraph), um das Niveau der täglichen körperlichen Aktivität (d.h. Schrittzahl) zu bewerten. Das Forschungspersonal demonstriert die richtige Verwendung und weist die Teilnehmer an, das Gerät während der gesamten Studiendauer zu tragen. Nach der Demonstration werden die Teilnehmer daran erinnert, auf übermäßige Bewegung zu verzichten und das Gerät zwei Tage vor den Versuchen zu tragen.

   1.7 Planung: Bevor sie das Labor verlassen, identifizieren die Teilnehmer und das Forschungsteam ein Datum für den ersten Infusionsversuch (mindestens 7 Tage nach den vorläufigen Tests). Darüber hinaus wird das Forschungsteam den Teilnehmern eine standardisierte Mahlzeit zur Einnahme am Abend vor der ersten Infusion sowie Anweisungen geben, 72 und 24 Stunden vor dem ersten Versuch auf anstrengende Bewegung und Alkoholkonsum zu verzichten. Den Teilnehmern wird auch ein Snack angeboten, bevor sie das Labor verlassen.

2. Infusionsversuche

2.1 Vorbereitungen: Mindestens 7 Tage nach den vorläufigen Tests oder der vorherigen Infusion werden die Teilnehmer gebeten, für einen Infusionsversuch ins Labor zurückzukehren. Am Morgen jeder Infusion kommen die Teilnehmer morgens ins Labor, nach einer nächtlichen (~10 h keine kalorienhaltigen Lebensmittel/Getränke konsumiert) Fastenzeit und nach 72- bzw. 24-stündigem Verzicht auf anstrengende Bewegung und Alkoholkonsum. An 3 Tagen vor jedem Versuch werden die Teilnehmer gebeten, ihre Nahrungsaufnahme über ein online automatisiertes selbstverwaltetes (24-Stunden) Ernährungsprotokollsystem (ASA24) aufzuzeichnen.

2.2 Stabile Isotopeninfusion: Bei Ankunft im Labor legen sich die Teilnehmer in Rückenlage auf ein kliniktypisches Bett, bevor ein intravenöser Katheter in eine Hand- oder Armvene gelegt wird. Es werden nicht mehr als vier Versuche unternommen, den Katheter zu setzen. Nach der Basis-Blutentnahme wird eine Startdosis von L-[1-13C] Leucin und L-[ring 2H5] Phenylalanin verabreicht, bevor eine konstante Infusion mit einer kalibrierten Infusionspumpe begonnen wird. Die in diesem Experiment verwendeten stabilen Isotopen-Aminosäure-Tracer sind nicht radioaktiv und vollkommen sicher. Diese stabilen Isotope reichern den Aminosäurepool im Körper an, wodurch wir die Einbaurate von Aminosäuren in die Gewebe identifizieren können. Die Zubereitung der Tracer zur intravenösen Verabreichung erfolgt in einer sterilen Umgebung unter einer Laminarstromhaube, die für die Zubereitung von Tracern vorgesehen ist und gemäß den Richtlinien der Guten Herstellungspraxis.

2.3 Blutentnahme: Nachdem die Forscher die Infusion starten, wird ein zweiter Katheter in eine Hand- oder Armvene auf der anderen Seite gelegt, damit die Forscher während des Versuchs Blut sammeln können. Während des Versuchs wird periodisch Blut aus dem Katheter entnommen. Vor der Entnahme einiger Proben wird eine Heizdecke (60°C) auf die Katheterstelle (Arm oder Hand) gelegt, um die Blutproben zu "arterialisieren" (das Blut in den Arterien nachahmen). Während des ersten Versuchs werden insgesamt 17 Blutproben (~174 ml) entnommen, während im zweiten Versuch 15 Blutproben (~149 ml) entnommen werden. Die regelmäßige Blutentnahme ermöglicht die Bestimmung der Isotopenanreicherung, Aminosäurekonzentrationen und freien Fettsäurekonzentrationen im Blut. Zwischen den Entnahmen wird der Katheter mit einer 0,9%igen Kochsalzlösung bei niedriger Rate offen gehalten.

2.4 VCO2: Die Kohlendioxidproduktion (VCO2) wird aus der ausgeatmeten Luft bestimmt, die über ein offenes Mundstück mit Schlauch abgesaugt wird. Unmittelbar nach der VCO2-Analyse (10 Minuten) werden die Teilnehmer gebeten, in ein separates Mundstück zu atmen, das an einen Plastikbeutel angeschlossen ist. Diese Atemprobe wird in einem sterilen Vakuumröhrchen für zukünftige Analysen der stabilen Isotopen-Tracer-Anreicherung im Atem aufbewahrt.

2.5 Muskelentnahme: Insgesamt werden fünf Muskelbiopsien entnommen (drei als Teil der 1. Infusion und zwei während der 2. Infusion). Das Biopsieverfahren beinhaltet die Entnahme eines kleinen Stücks Muskelgewebe mit einer sterilen Hohlnadel (Bergström-Nadel) und wird von Dr. Nicholas Burd unter der Aufsicht von Dr. Jared Willard, MD, durchgeführt. Die Teilnehmer ruhen auf einem Bett, und der Bereich für die Biopsie wird bei Bedarf rasiert. Anschließend wird der Bereich mit 4% Chlorhexidingluconat sterilisiert, bevor 5 ml Lokalanästhetikum (2% Xylocain mit 1:100.000 Epinephrin) subkutan injiziert werden, wobei besondere Sorgfalt darauf gelegt wird, das Muskelgewebe nicht zu infiltrieren. Sobald das Anästhetikum wirkt (~10 min), macht Dr. Burd einen kleinen Schnitt (~4-5 mm) in die Haut, um eine Öffnung zu schaffen, durch die die Biopsienadel zur Gewebeentnahme eingeführt wird. Dr. Burd schneidet schnell ein kleines Stück Muskel (~50-100 mg; etwa so groß wie ein Standard-Bleistiftradiergummi) ab und entfernt die Nadel aus dem Bein des Probanden. Während der Probenentnahme (~30 Sek.) können die Probanden ein Gefühl von tiefem Druck in ihrem Bein spüren. Eine sterile Einwegabdeckung wird unter den Oberschenkel des Teilnehmers gelegt, und für alle Biopsieverfahren werden sterile Handschuhe verwendet.

Nach Abschluss der Biopsie übt ein geschultes Mitglied des Forschungsteams Druck mit steriler Gaze aus, bis die Blutung aufhört (mindestens 10 Minuten). Anschließend wird die Schnittstelle mit Schmetterlingspflastern (Steri-strips) verschlossen, gefolgt vom Anlegen eines Verbands. Ein elastischer Druckverband wird über dem Verband angebracht, um die Wahrscheinlichkeit von Blutergüssen zu minimieren. Den Teilnehmern wird dann angewiesen, die Schmetterlingspflaster und den Druckverband für 96 bzw. 24 Stunden auf der Wunde zu belassen. Dem Teilnehmer wird ein "Biopsie-Pflegeset" (beschrieben in Abschnitt 10.1/Biopsie-Pflegeset) zur Verfügung gestellt, um die Schnittstelle nach Verlassen des Labors richtig zu pflegen. Ein Mitglied des Forschungsteams wird die Teilnehmer am Tag nach dem Versuch kontaktieren, um den Heilungsprozess zu überprüfen.

Krafttraining und Mahlzeiteneinnahme: Unmittelbar nach dem Verschluss der zweiten Biopsie beginnen die Teilnehmer mit dem Aufwärmen für eine akute Einheit Krafttraining. Zu Beginn fahren die Teilnehmer 5 Minuten lang in einem selbstgewählten Tempo auf einem Standard-Fahrradergometer. Anschließend beginnen die Teilnehmer mit dem Krafttraining. Die Teilnehmer absolvieren einen Aufwärmsatz mit etwa 60 % ihres Zehn-Wiederholungs-Maximums (10RM), das bei den vorläufigen Tests gemessen wurde, gefolgt von 4 Sätzen mit 10-12 Wiederholungen bei etwa 90 % 10RM mit 1-3 Minuten Pause zwischen den Sätzen für sowohl Beinstrecken als auch Beinpresse. Die Teilnehmer passen die Last, Sätze und Wiederholungen vom ersten Versuch während ihres zweiten Versuchs an.

Unmittelbar nach Abschluss der Übung kehren die Teilnehmer in den Infusionsraum zurück, um Mahlzeiten zu konsumieren. Während des ersten Versuchs werden die Teilnehmer randomisiert und ausbalanciert, um entweder 1 mittelgroße Russet-Kartoffel mit Schale und 2 Unzen-Äquivalent mageres Hackfleisch-Kombination (274 kcal, 19,3 g Protein, 5 g Fett, 37 g Kohlenhydrate und 4 g Ballaststoffe), 2 Scheiben Weißbrot und Hackfleisch-Kombination (262 kcal, 19,8 g Protein, 6,8 g Fett, 28 g Kohlenhydrate und 1,8 g Ballaststoffe) oder 2 Unzen-Äquivalent Rindfleisch (93 % mageres Fleisch/7 % Fett; 110 kcal, 14,8 g Protein und 5 g Fett) während der gestarteten konstanten Infusionen zur Messung des Proteinstoffwechsels zu sich zu nehmen. Während des zweiten Versuchs werden die Teilnehmer zufällig einer der verbleibenden Bedingungen zugewiesen, um sie zu konsumieren.

Kommerziell erhältliche Russet-Kartoffeln mit Schale werden in 1-Zoll-Würfel geschnitten und zusammen mit Hackfleischpasteten bei 200°C etwa 30 Minuten lang gebacken, oder bis die Innentemperatur des Fleisches am Versuchstag kurz vor dem Verzehr 75°C erreicht. Die Mahlzeit wird auf eine Innentemperatur von mindestens 165°F (74°C) gegart, gemäß der USDA-Mindestinnentemperatur, um lebensmittelbedingte Erkrankungen zu verhindern.