Cambio de sustrato cerebral a cetonas y lactato (BSS)

Objetivos:

Primario:

• Determinar si el metabolismo de las cetonas y el lactato en el cerebro provoca las respuestas neurotróficas beneficiosas asociadas con el ayuno y el ejercicio, respectivamente.

Secundario:

• Determinar si el ayuno y el ejercicio mejoran la captación de glucosa, cetonas y lactato en el cerebro.

Puntos finales:

Primario:

• Factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF)
• Proteína precursora beta amiloide secretada alfa (sAPPA)

Secundario:

• Extracción de glucosa cerebral
• Extracción de cetonas cerebrales
• Extracción de lactato cerebral
• Aumento de la extracción de glucosa cerebral en respuesta a la administración de insulina intranasal

Hipótesis:

1. El ayuno y el ejercicio de alta intensidad aumentarán la liberación cerebral de BDNF y sAPPA, y estas respuestas serán las mismas cuando las cetonas y el lactato se infunden pasivamente en la circulación en estado de reposo y alimentación.
2. El ayuno aumentará el metabolismo de las cetonas cerebrales más allá de lo que se logra cuando las cetonas se infunden pasivamente en la circulación en estado de alimentación.
3. El ejercicio de alta intensidad aumentará el metabolismo del lactato cerebral más allá de lo que se logra cuando el lactato se infunde pasivamente a la circulación en estado de reposo.
4. El ejercicio de alta intensidad mejorará la sensibilidad de la insulina del cerebro a la glucosa, como lo demuestra el aumento de la captación de glucosa en el cerebro en respuesta a la insulina intranasal.

Diseño

Este será un diseño cruzado de medidas repetidas con los participantes completando dos condiciones separadas por 4-6 semanas:

1. Fed ejercicio e infusiones pasivas de lactato y cetonas
2. Ejercicio en ayunas de 72 horas e infusiones pasivas de lactato y cetonas

En ambas visitas, los participantes serán instrumentados con catéteres arteriales (radiales) y venosos (yugulares internos) para cuantificar el metabolismo cerebral oxidativo y de sustratos (glucosa, cetonas, lactato) en respuesta a: 1) ayuno, 2) 6 minutos de ejercicio de alta intensidad. ejercicio, 3) una infusión graduada pasiva de cetonas (para imitar el ayuno); y 4) una infusión graduada pasiva de lactato (para imitar el ejercicio). La sensibilidad de la insulina cerebral a la glucosa se cuantificará en los estados de alimentación y ayuno antes y después del ejercicio mediante una dosis única de insulina intranasal. En los estados de alimentación y ayuno en reposo, se recolectará una muestra de líquido cefalorraquídeo de la columna lumbar para cuantificar la metabolómica y la producción y liberación de factores neurotróficos (BDNF y sAPPa) del cerebro.

Sitios de prueba Todas las pruebas se llevarán a cabo en el edificio ARTs (Sala 184) en el laboratorio de investigación del Centro de salud cardíaca, pulmonar y vascular en Kelowna, Columbia Británica, Canadá.

Participantes Tamaño de la muestra Recogeremos datos en 12 sujetos con ambos sexos incluidos. Un cálculo del tamaño de la muestra (poder > 0,8, significancia < 0,05) basado en nuestros datos preliminares indica que se requieren 8 participantes (12); nuestro objetivo será reclutar 12 voluntarios de ambos sexos para representar mejor a la población, no para investigar las diferencias de sexo. Se obtendrá el consentimiento informado por escrito de los participantes. Anticipamos una tasa de deserción de <5%.

Criterios de inclusión

• 19 años - 40 años
• Actividad física regular, según lo determinado a través de cuestionarios.

Criterio de exclusión

• fumadores actuales
• Asma bronquial aguda, obstrucción crónica de las vías respiratorias o estado asmático
• Obeso (índice de masa corporal superior a 30 kg m-2)
• Requerir medicamentos recetados diariamente que pueden afectar las respuestas al ejercicio, por ejemplo, antihipertensivos, antiarritmogénicos, inhaladores
• Antecedentes de enfermedad/disfunción que podrían causar complicaciones con el ejercicio, p. enfermedades cardiovasculares, respiratorias, neurológicas o musculoesqueléticas
• Ciclo menstrual irregular o ausente (mujeres)
• Embarazada o con sospecha de embarazo, o posmenopáusica (mujeres)
• Cualquier respuesta adversa inesperada a las pruebas de ejercicio preexperimentales
• Cualquier contraindicación para un acceso subaracnoideo lumbar

Cribado/Evaluación de referencia

Los criterios de inclusión y exclusión anteriores se examinarán a través de un cuestionario de evaluación de la salud y una evaluación clínica realizada por un médico. Esta proyección incluirá:

• Presión arterial en reposo,
• electrocardiograma de 12 derivaciones,
• Prueba de esfuerzo cardiopulmonar,
• Glucemia en ayunas.

Criterios de discontinuación

• Cualquier respuesta adversa a procedimientos invasivos, es decir, cateterismo y muestreo de líquido cefalorraquídeo (consulte Riesgos a continuación)

Además de lo anterior y de acuerdo con las pautas de la Junta de Ética de Investigación Clínica de UBC, todos los participantes de la investigación pueden retirarse del estudio en cualquier momento y sin motivo.

Procedimientos experimentales

Los participantes visitarán el laboratorio en dos ocasiones. Los detalles de las visitas experimentales se describen a continuación:

1. Fed ejercicio e infusiones pasivas de lactato y cetonas

   Los participantes llegarán al laboratorio 1 hora después de comer una comida ligera de su elección. Los participantes se acostarán en una cama y se les colocarán catéteres permanentes en la arteria radial y en la vena yugular interna. Una hora después de los cateterismos, se medirá el flujo sanguíneo cerebral de forma no invasiva mediante ecografía dúplex de las arterias carótida interna y vertebral. Se recolectarán muestras de sangre de las circulaciones arterial y venosa para medir el metabolismo oxidativo y de sustratos (glucosa, cetonas y lactato) del cerebro. Se recolectará una sola muestra de líquido cefalorraquídeo de la columna lumbar entre L4 y L5. Este procedimiento será realizado por un médico altamente capacitado que utiliza estas técnicas de forma rutinaria para el cuidado del paciente casi a diario. A partir de entonces, la cetona primaria, beta-hidroxibutirato (Bhb), se infundirá a través de una vena antecubital (brazo) de forma escalonada para inducir concentraciones circulantes de 1, 3 y 5 mmol/L. Después de una recuperación completa, es decir, la concentración de Bhb vuelve a los valores de reposo, se infundirá lactato intravenoso de forma escalonada para inducir concentraciones circulantes de 5, 10 y 15 mmol/L. Luego de una recuperación completa de los niveles de lactato en sangre, se administrará una infusión intravenosa combinada (Bhb y lactato) para inducir concentraciones circulantes de 3 y 10 mmol/L, respectivamente. Luego, los participantes recibirán una comida ligera estandarizada y 1 hora para descansar y digerir. Por último, los participantes se autoadministrarán una dosis única de insulina intranasal antes y después de completar 6 minutos de intervalos de ciclismo de alta intensidad. Después de la dosis final de insulina intranasal, los participantes serán desinstrumentados marcando el final de la visita. El tiempo total para esta visita se estima en 3-4 horas.

2. Ejercicio en ayunas de 72 horas e infusiones pasivas de lactato y cetonas

Esta visita es idéntica a la condición 1, excepto que los participantes llegarán al laboratorio en ayunas de 72 horas y no se les proporcionará una comida ligera hasta que finalicen todos los procedimientos experimentales. Antes de iniciar el ayuno, los participantes estarán equipados con un monitor continuo de glucosa para que los investigadores puedan realizar un seguimiento de su glucosa en sangre durante el ayuno. Como tal, el tiempo total para esta visita también se estima en 3-4 horas.

Protocolo de ejercicio de alta intensidad. Los participantes completarán seis sesiones de ciclismo de 40 s a un ritmo de trabajo que obtenga el 100 % de la potencia aeróbica máxima (VO 2 máx.), seguido de 20 s de recuperación activa al 25 % de VO 2 máx. Hemos demostrado que esta serie de ejercicios aumenta el lactato en más de 5 veces tanto en estado de alimentación como en ayunas (12).

Aleatorización de condiciones. El orden de las condiciones, es decir, alimentado o en ayunas, será aleatorio. Es imposible ocultar a los participantes las condiciones de alimentación y ayuno, ya que el ayuno requiere abstenerse de comer antes de visitar el laboratorio. Los investigadores no estarán cegados porque monitorearán a los sujetos mientras ayunan antes de visitar el laboratorio.