Enfoques no invasivos para identificar la causa de la fatiga en pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal. (IBD Fatigue)

Antecedentes La fatiga por enfermedad inflamatoria intestinal (EII) es, junto con la diarrea, el síntoma médico más común en pacientes con enfermedad de Crohn (EC) activa y la segunda queja más común después de la artralgia en pacientes con EC en remisión. La asociación de establecimiento de prioridades de la EII entre James Lind Alliance y la Sociedad Británica de Gastroenterología ha destacado que la fatiga de la EII es una de las 10 principales prioridades de investigación del Reino Unido.

La prevalencia de la fatiga oscila entre el 41-48 % cuando está en remisión, aumentando hasta el 86 % cuando la enfermedad está activa. La fatiga crónica se asocia con una calidad de vida relacionada con la salud deteriorada en la EII y una actividad física reducida, que en cohortes pediátricas juega un papel importante en el desarrollo del crecimiento normal. En ausencia de causas clínicas reversibles como anemia, carga inflamatoria o deficiencia de nutrientes, aún no está claro qué causa la fatiga en estos pacientes. Los enfoques actuales se limitan a ofrecer pistas sobre posibles enfoques terapéuticos o una evaluación clínica precisa para pacientes con EC. Esto probablemente se deba a la falta de un enfoque multicomponente y a una sensibilidad y confiabilidad metodológicas deficientes al evaluar la fatiga. Se ha sugerido un concepto multidimensional de componentes físicos, cognitivos y afectivos para la fatiga por EII. Sin embargo, no está claro cómo tratar la fatiga por EII. La terapia de ejercicios, las intervenciones psicosociales y la terapia centrada en soluciones se sugieren como opciones de tratamiento, pero ninguna ha demostrado ser convincentemente efectiva.

La fatiga surge de procesos periféricos y centrales, que son igualmente importantes. Mientras que la fatiga periférica se atribuye a la etiología muscular, la fatiga central es una reducción progresiva inducida por el ejercicio en la activación voluntaria del músculo debido a la falla del sistema nervioso central (SNC). Los enfoques actuales se han visto limitados al no poder cuantificar adecuadamente la fatiga periférica a nivel muscular y la fatiga central a nivel del SNC.

Fatiga periférica: la necesidad de actividad muscular

La fatiga física está relacionada con la reducción de la masa y la calidad muscular (sarcopenia) y, en consecuencia, la reducción de la función muscular. Los impulsores de la pérdida de masa muscular incluyen la inactividad física y la resistencia anabólica, que en gran medida reducen el efecto estimulante de la nutrición proteica sobre la síntesis de proteínas musculares. De acuerdo con esto, los pacientes con EC activa muestran una disminución significativa en la expresión de las vías de señalización del músculo esquelético de hipertrofia, pero no cambios en la expresión de las señales de atrofia.

La mala calidad muscular es un importante impulsor de la disfunción metabólica que a menudo se pasa por alto como impulsor de la fatiga periférica. En datos preliminares no publicados, los investigadores han demostrado por primera vez que el músculo esquelético de pacientes con EC activa muestra una absorción de glucosa reducida en respuesta a la alimentación con glucosa, lo que sugiere una calidad metabólica muscular disminuida en pacientes con EC.

En sujetos con EII fatigados, se observan tamaños de efecto de medianos a grandes para el deterioro de la capacidad aeróbica (VO2max), la fuerza muscular y la actividad física en sujetos con fatiga en comparación con sujetos sin antecedentes informados de fatiga y la población normal. La inactividad física en la enfermedad de EC inactiva podría ser una explicación que sustenta estas observaciones, apuntando a que la inactividad secundaria a la carga de la enfermedad es la etiología de la fatiga en la EC, al igual que en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). La inactividad física ya se ha demostrado en EC tanto en cohortes pediátricas como de adultos y se ha correlacionado significativamente con la actividad de la enfermedad, pero aún prevalece en la remisión. Aunque esto podría implicar circularidad en la etiología de la fatiga en el contexto de la inactividad física, es poco probable que estos dos factores tengan una relación directa simple de causa y efecto. De hecho, cuando la actividad física habitual se empareja entre los voluntarios, la fatiga del músculo esquelético sigue siendo más frecuente en la EC, y predominantemente en aquellos sujetos que se quejan de fatiga. En conjunto, estos datos son indicativos de que tanto la aptitud cardiorrespiratoria reducida como el desacondicionamiento de los músculos periféricos (posiblemente relacionado con la densidad mitocondrial muscular reducida) están contribuyendo al desarrollo temprano de fatiga en pacientes con EII que informan síntomas de fatiga.

Fatiga central: la necesidad de la regulación cardiorrespiratoria

El músculo esquelético, el sistema cardiorrespiratorio y el SNC están interrelacionados. En datos preliminares, se ha demostrado por primera vez que es posible evaluar el cambio de la perfusión cerebral (o flujo sanguíneo cerebral; CBF), una medida indirecta de la medición hemodinámica de la actividad neuronal cerebral, utilizando técnicas de resonancia magnética funcional, en relación con Disminución de la capacidad cardiovascular con la edad. Estos datos han demostrado que el CBF medido directamente usando el etiquetado de espín arterial (ASL) o indirectamente usando el nivel dependiente de oxígeno en la sangre (BOLD) se redujo en personas mayores con aptitud cardiorrespiratoria reducida y que probablemente son más fatigables que los voluntarios jóvenes. Esto sugiere que el acoplamiento entre el CBF y la actividad cerebral puede modularse mediante el gasto cardíaco y, por lo tanto, manipularse para mejorar la función cerebral relacionada con la fatiga central en pacientes con EC.

Esto destaca el potencial de las técnicas de resonancia magnética cerebral funcional no invasiva para determinar el efecto de la perfusión cerebral durante el ejercicio sobre la fatiga central en pacientes con EC. Además, estos enfoques cuantitativos podrían usarse para determinar si las mejoras en el estado físico cardiovascular y el ejercicio posterior adecuado o las intervenciones farmacológicas pueden alterar la fatiga central.

1.Objetivos y finalidad de la investigación propuesta

Hipótesis: Los investigadores plantean la hipótesis de que la etiología de la fatiga por EII se relaciona colectivamente con el desacondicionamiento de los músculos periféricos y la fatiga central del cerebro, siendo esta última secundaria a una reducción en la capacidad cardiorrespiratoria y/o el gasto cardíaco, de modo que tanto la fatiga central como la periférica contribuyen a la fatiga. desarrollo en EII.

Objetivos:

Para abordar esta hipótesis, los investigadores pretenden reclutar una cohorte de pacientes con EC fatigados y no fatigados en remisión y voluntarios sanos de la misma edad, género, masa muscular y actividad física. Los síntomas de fatiga se definirán a través de cuestionarios relevantes en la selección. Posteriormente, los investigadores cuantificarán objetivamente la fuerza muscular de los extensores de la rodilla durante una contracción isométrica voluntaria máxima y el desarrollo de la fatiga en el grupo de músculos cuádriceps. Este último se definirá como la pérdida en el desarrollo del torque máximo muscular durante 20 extensiones de rodilla isocinéticas consecutivas. Se investigarán los roles periférico (músculo) y central (SNC) en la etiología de la fatiga. El desacondicionamiento de los músculos periféricos se investigará mediante la cuantificación de la resíntesis de fosfocreatina muscular (PCr) durante la recuperación del ejercicio utilizando MRS de 31 fósforo, mientras que el potencial de fatiga central se examinará a través de diversas medidas de perfusión del SNC y extracción fraccional de oxígeno cerebral mediante resonancia magnética.

Plan detallado de investigación y procedimientos/metodología científica

El objetivo de los investigadores es reclutar a 32 pacientes con EC en remisión, con y sin antecedentes de fatiga por EII (n = 16 para la cohorte de fatiga por EII y n = 16 para la cohorte sin fatiga por EII) en un plazo de 36 meses. Estas cohortes se compararán con 16 controles sanos emparejados por edad, sexo, masa muscular y actividad física (de nuestra Unidad de Investigación Biomédica de Enfermedades Digestivas de Nottingham existente y bases de datos MRC/ARUK) para someterse al protocolo experimental que se describe a continuación. Los investigadores compararán específicamente la actividad física para investigar su posible efecto principal sobre la fatiga.

Objetivo 1 (Día 1): Determinar la fuerza muscular, la fatiga y la aptitud cardiorrespiratoria.

Tras el consentimiento, CD y voluntarios sanos de control emparejados realizarán 3 extensiones de rodilla isométricas máximas del grupo de músculos cuádriceps (cada una separada por 30 s) para determinar la fuerza muscular. Después de esto, los voluntarios realizarán 20 extensiones máximas de rodilla con una sola pierna en un dinamómetro isocinético Cybex (Cybex Norm, EE. UU.) a una velocidad angular constante de 90 grados por segundo para determinar el desarrollo del par muscular. Cada contracción voluntaria máxima se iniciará desde una posición de 90 grados de flexión de la rodilla y continuará hasta el punto de extensión completa de la rodilla. Después de cada contracción, la pierna volverá pasivamente a la posición inicial (aproximadamente 1,1 s) desde la cual se iniciará inmediatamente la siguiente contracción. La medida de resultado y la definición estándar de fatiga de este objetivo se definirán como la disminución en la generación de torque máximo para cada contracción durante las 20 extensiones de rodilla. Se ha demostrado previamente que las contracciones voluntarias máximas a esta velocidad dan como resultado el reclutamiento de fibras musculares de tipo I y tipo II del grupo de músculos cuádriceps. Treinta minutos más tarde, los voluntarios se someterán a una prueba de ejercicio en decúbito supino continua e incremental utilizando un ergómetro de paso compatible con MR (pedal de diagnóstico Ergospect). El ejercicio comenzará con una carga de trabajo baja, que aumentará cada 3 minutos para determinar el VO2 pico durante el ejercicio en decúbito supino mediante el análisis de gases espirados en línea (Cosmed, Roma, Italia). La producción de dióxido de carbono (CO2) y el consumo de oxígeno (O2) se medirán durante la prueba y se utilizarán para medir el consumo máximo de oxígeno y la relación de intercambio respiratorio (RER). Estos datos se normalizarán a la composición corporal medida por absorciometría de rayos X de energía dual (DEXA; Lunar Prodigy, GE Medical Systems, Bucks, Reino Unido) y proporcionarán una medida estándar de oro de la aptitud cardiorrespiratoria (o aeróbica).

Objetivo 2 (Día 2): Determinar la perfusión cerebral y la fatiga central.

Recientemente, en colaboración con investigadores del Centro de Imágenes Sir Peter Mansfield de la Universidad de Nottingham, los investigadores desarrollaron un protocolo para cuantificar la respuesta vascular cortical al ejercicio en voluntarios y su modulación en el envejecimiento y la aptitud cardiorrespiratoria. Aquí, se utilizará el mismo enfoque para evaluar la respuesta vascular cortical al ejercicio en las regiones del cerebro asociadas con la fatiga central de los pacientes con EC.

Para estudiar este mecanismo en pacientes con EC, los investigadores proponen medir el gasto cardíaco y la perfusión cerebral y regional utilizando medidas dependientes del nivel de oxígeno en sangre (BOLD) y resonancia magnética con marcaje de espín arterial (ASL), así como extracción de oxígeno fraccional utilizando TRUST-MRI respectivamente durante el ejercicio supino de los cuádriceps con el ergómetro compatible con MR (pedal de diagnóstico Ergospect) a valores dados de VO2máx relativo (como se mide en el Objetivo 1).

Este enfoque multimodal determinará un posible desacoplamiento entre la perfusión cerebral y la actividad neuronal y el papel de la hipoxemia central en la fatiga central de los pacientes con EII en comparación con los controles sanos. Además, estos datos se correlacionarán con la aptitud cardiorrespiratoria, la fuerza muscular y la fatiga, y determinarán el papel predominante de los procesos centrales en la fatiga de los pacientes con EII. Si estas medidas vasculares cerebrales están asociadas con el desarrollo de fatiga, entonces este índice de acoplamiento neurovascular podría beneficiarse del entrenamiento físico de manera similar al tejido muscular.

Objetivo 3 (Día 2): Determinar el desacondicionamiento muscular.

Para mantener la energía (ATP) durante el ejercicio, el músculo esquelético regula la producción oxidativa (mitocondrial) y no mitocondrial de ATP. En individuos sanos, la contribución relativa de la producción de ATP no mitocondrial a la producción total de energía generalmente está dictada por la intensidad del ejercicio, que determina la magnitud de la acumulación de subproductos metabólicos que están directamente relacionados con el malestar y la fatiga muscular. En estados patológicos, la fatiga exacerbada y el dolor muscular se han atribuido a la reducción del flujo sanguíneo muscular y/o a la reducción de la masa mitocondrial.

Para separar estos dos procesos en pacientes con CD, el flujo sanguíneo de la extremidad se ocluirá con un manguito, mientras que los participantes realizan ejercicios repetidos de flexión plantar en un escáner de resonancia magnética. Esto llevará a PCr (la reserva disponible de ATP) a cero. Específicamente, los participantes con un manguito para miembros inferiores realizarán 30 contracciones durante un período de 5 minutos utilizando un ergómetro compatible con MR. Una vez que se retira el manguito, se someterán a mediciones de resonancia magnética 31P in vivo (31P MRS) no invasivas y bien establecidas en el gastrocnemio para determinar la tasa de resíntesis de PCr durante la recuperación en reposo. Los datos de 31P MRS se promediarán, procesarán y cuantificarán utilizando métodos internos.

Dado que la tasa de resíntesis de PCr es directamente proporcional a la masa mitocondrial y el suministro de oxígeno no es limitante durante la recuperación del ejercicio, esto nos permitirá medir el desacondicionamiento metabólico muscular in vivo.

Tamaño de la muestra

1. Aptitud cardiorrespiratoria: Los investigadores han demostrado previamente que el VO2máx de un voluntario sano es de 3,65 (0,5) l/min, mientras que el VO2máx de un paciente con EII fatigado es de 1,99 (0,44) l/min y el de un paciente no fatigado es de 2,43 (0,75) l/min. ) L/min. Suponiendo una potencia del 80 % y α=0,05, se necesitan 6 sujetos en cada grupo para mostrar una diferencia significativa entre los voluntarios sanos y la cohorte no fatigada, y se necesitan 13 pacientes en cada grupo para mostrar una diferencia entre los 2 CD cohortes
2. Fatiga muscular: la extensión máxima del par muscular 180⁰/s (Nm) es menor en pacientes con EII fatigados que en pacientes con EII no fatigados (60,73 frente a 73,5, DE 12,3 respectivamente). Suponiendo una potencia del 90 % y α = 0,05, se necesitan 16 sujetos con EC en cada grupo para mostrar una diferencia entre las cohortes con EC fatigadas y sin fatiga. Es importante destacar que la tasa de fatiga muscular (definida como el gradiente de disminución de la fuerza desde la repetición 2 a la 30 de un protocolo de ejercicio) es significativamente mayor en DC que en voluntarios sanos (5,2 Nm/min frente a 1,3 Nm/min, SD 3. En este caso , asumiendo un poder del 90% y α=0.05, se necesitan 11 sujetos en cada grupo para mostrar una diferencia entre CD y voluntarios sanos.
3. Acondicionamiento muscular: estudios recientes han demostrado que la tasa de resíntesis de Pcr es de 27,9 ± 0,6 s en sujetos delgados sedentarios, mientras que es de 36,5 ± 2,4 s en pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (DM2). Por lo tanto, suponiendo una potencia del 100 % y α = 0,05, se necesitan 3 sujetos en cada grupo para mostrar una diferencia entre los voluntarios sanos y la cohorte potencialmente fatigada, como los pacientes con DM2.
4. Resistencia anabólica: Además, nuestro trabajo reciente sobre resistencia anabólica ya ha mostrado diferencias significativas en la calidad muscular entre voluntarios sanos y CD (diferencia significativa observada n = 5 pacientes). El porcentaje de fatiga del antebrazo en el brazo dominante es 26,75%±11,1 y 18,3±7,8 en CD y controles respectivamente. Suponiendo una potencia del 80% y α=0,05, se necesitan 11 sujetos en cada brazo.
5. IRM: no es posible potenciar este estudio de IRM exacto ya que no se han recopilado datos piloto en estas cohortes de EII. Sin embargo, los investigadores han demostrado previamente que la perfusión cerebral en los jóvenes aumenta en un 18 ± 6 % para un 30 % de VO2max durante una prueba de aptitud cardiorrespiratoria. Mientras que en los ancianos, aumenta solo un 3±4 %. Suponiendo una potencia del 100 % y α=0,05, se necesitan 10 sujetos en cada grupo para mostrar una diferencia significativa entre voluntarios sanos (jóvenes) y una cohorte potencialmente fatigada (ancianos). Además, para el análisis fMRI BOLD, generalmente se considera que se necesita un mínimo de 12 sujetos en cada cohorte, con una sensibilidad mejorada de los escáneres de RM (y, por lo tanto, una relación señal-ruido (SNR) temporal más alta que ahora permite mejores análisis de sujetos individuales.

Por las razones anteriores, los investigadores creen que 16 sujetos en cada grupo (DC fatigados, DC no fatigados y voluntarios sanos) serán suficientes para mostrar una diferencia en los criterios de valoración objetivos elegidos.

Análisis de datos La fatiga se medirá como la disminución en el desarrollo del torque máximo durante 20 extensiones de rodilla isocinéticas como se describe anteriormente. La tasa de resíntesis de PCr y la extracción fraccional de oxígeno cerebral serán los criterios de valoración principales en los objetivos 2 y 3.

Los datos de 31P MRS se analizarán utilizando el software de RMN estándar (software jMRUI para el MRS clínico y biomédico). Precisamente, todos los espectros de la serie temporal estarán apodizados (forma lorentziana de 15-20 Hz). A partir de estos espectros, las intensidades de señal de 5 picos se determinarán después de la formación de líneas. El pH se determinará antes y al final del protocolo de ejercicio midiendo el cambio de frecuencia entre PCr y Pi, mientras que el código escrito interno en MATLAB (MathWorks Inc., Matrix House, Cambridge, Reino Unido) se utilizará para cálculos adicionales de la tasa de recuperación de PCr. En este caso, las intensidades de área de pico del pico de PCr de jMRUI se usarán como entrada en el script para ajustar los cursos de tiempo de datos usando una función monoexponencial: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ τ); siendo PCr el nivel de intensidad del pico de PCr, C una constante, τ [s] la constante de velocidad para la recuperación de PCr y t [s] el tiempo, comenzando al final del protocolo de ejercicio (t0). La reproducibilidad de las medidas 31P MRS de energía muscular se evaluó recientemente en humanos entrenados y muestra que el coeficiente de variación durante el ejercicio (27 %) y en reposo (8 %) fue relativamente bajo, y la diferencia fue detectable con 15 voluntarios. Esto confirma que el enfoque 31P MRS proporciona medidas reproducibles y experimentalmente útiles de la tasa de resíntesis de PCr en el músculo esquelético humano.

Los datos de BOLD MRI se analizarán utilizando paquetes estándar de neuroimagen (Mapeo paramétrico estadístico (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience y el software FMRIB Software Library. Las imágenes se corregirán por movimiento, se normalizarán a una plantilla estándar del Instituto Neurológico de Montreal para facilitar el promedio entre participantes. Para todas las adquisiciones de datos, los investigadores registrarán el vectocardiograma (VCG) y el movimiento respiratorio para permitir que los datos se corrijan por ruido fisiológico. Se formarán vectores de contraste para identificar la respuesta del SNC al estímulo del ejercicio. Los investigadores formarán mapas estadísticos de aquellas regiones del cerebro que muestren una disminución/aumento en la señal BOLD después de la intervención de ejercicio. Estos mapas estadísticos se utilizarán en contrastes por intervención y entre grupos de participantes. Los resultados se agruparán en un segundo nivel, análisis de grupo de efectos aleatorios (RFX) y áreas cerebrales activas que se mostrarán con una probabilidad corregida de tasa de descubrimiento falso P < 0.05, k > 5. Estos análisis han sido realizados y publicados previamente por nuestro grupo. Los datos de ASL se corregirán por movimiento y se modelarán para cuantificar la perfusión en ml/100 g/min, y las medidas de perfusión global y regional se compararán antes y durante la intervención del ejercicio. Los datos TRUST se utilizarán para calcular la extracción fraccional de oxígeno antes y durante la intervención del ejercicio. Los datos se presentarán como media +/- error estándar de la media (SEM). Las comparaciones binarias se realizarán mediante pruebas t mientras que las comparaciones múltiples se realizarán con un análisis de varianza con una corrección post-hoc de Bonferroni entre los 3 grupos. Los efectos de las citocinas, la vitamina D y la duración de la enfermedad se investigarán mediante un coeficiente de correlación y un análisis multivariado post-hoc.

Los investigadores estratificarán a los sujetos en función de las medidas de resultado cuantitativas: tasa de resíntesis de PCr, aptitud cardiorrespiratoria medida a través del VO2max, disminución de la producción muscular y cambio en la perfusión regional y la extracción fraccional de oxígeno cerebral independientemente de su estado de fatiga. Esto nos ayudará a comprender qué alteraciones en la fisiología y el metabolismo se asocian mejor con síntomas específicos de fatiga. Hacer esto permitirá la cuantificación objetiva de un punto de corte subjetivo para la escala de fatiga IBD, definiendo así mejor la fatiga.