Aineenvaihdunta ja lihassopeutuminen passiivisuuden aikana 3 päivän vuodelevossa

Vuodelepo on laajalti hyväksytty kokeellinen malli, jota käytetään tutkimaan fysiologisia mukautuksia avaruuslentoon, mukaan lukien luu- ja lihasmassan menetys, nesteen siirtyminen ja sydän- ja verisuonijärjestelmän kuntouttaminen. Yleensä osallistujia pyydetään viettämään aikaa sängyssä, jolloin kaikki päivittäisen elämän toiminnot suoritetaan vaakasuorassa tai pää alas kallistusasennossa (HDT), mikä minimoi kaikkien lihasten käytön ja saa aikaan merkittäviä fysiologisia mukautuksia, jotka ovat samanlaisia ​​​​kuin aikana havaittiin. avaruuslento. Huomattava määrä ihmisille tehtyjä vuodelepotutkimuksia on tehty 3–370 päivän kestoltaan. Ymmärryksessämme on kuitenkin tällä hetkellä aukkoja; todellisen ja simuloidun mikrogravitaation aikana tapahtuvan fysiologisen säätelyhäiriön nopeus ja suuruus (kuten useimmat tähän mennessä tehdyt tutkimukset ovat käsitelleet pääasiassa nukkumaanmenoa edeltäviä ja sen jälkeisiä aikapisteitä); paikat ja mekanismit, jotka kontrolloivat vuodelevon aiheuttamaa säätelyhäiriötä; ovatko akuuttien fysiologisten muutosten taustalla olevat prosessit samoja kuin pidemmällä aikavälillä havaitut. Näiden asioiden ymmärtämisen parantaminen mahdollistaisi vuodelevon aiheuttaman fysiologisen säätelyhäiriön minimoimiseen tähtäävien interventioiden keskittymisen tehokkaimmin ajanjaksoihin, jolloin fysiologisen säätelyhäiriön alkamisnopeus on todennäköisesti suurin. Tämä myötävaikuttaisi siihen, että ihmisten pitkittyneillä avaruuslennoilla saavutettaisiin tulevaisuudessa menestystä, esim. miehitetyn lentomatkan Marsiin, koska pitkäaikaiseen mikrogravitaatioon liittyvän fysiologisen säätelyhäiriön etiologian ja kulumisen ymmärtäminen mahdollistaisi tehokkaiden vastatoimien toteuttamisen. Vuodelepomallit tarjoavat lisäksi ainutlaatuisen mahdollisuuden tutkia vuodelevon seurauksia niille, jotka saattavat joutua sairaalahoidon aikana pitkiä passiivisuusjaksoja sairauden tai vamman vuoksi.

Inaktiivisuus liittyy insuliiniresistenssin kehittymiseen ja edistää monien nykyaikaisten aineenvaihduntasairauksien kehittymistä, mukaan lukien liikalihavuus, tyypin 2 diabetes, dyslipidemia ja verenpainetauti (1,2); fyysisen aktiivisuuden mainitaan pääasiallisena syynä 27 prosentissa diabeteksesta ja 30 prosentissa iskeemisistä sydänsairauksista. Kuitenkin ajan kuluminen, suhteellinen kudosspesifisyys (maksa vs. lihas) ja inaktiivisuuden aiheuttaman insuliiniresistenssin mekaaninen perusta ja sen kumoaminen uudelleen mobilisoimalla ovat suuria aukkoja nykyisessä ymmärryksessämme. Lisäksi insuliiniresistenssi on havainto, jolla on useita mahdollisia syitä, ja mekanismit, jotka liittyvät tämän tilan kehittymiseen lyhytaikaisessa vuodelevossa/immobilisaatiossa, voivat olla erilaisia ​​kuin mekanismit, jotka liittyvät pitkäaikaiseen/krooniseen inaktiivisuuteen. Tämän alan lisätutkimus on siksi perusteltua.

Tämä tutkimus on osa suurempaa hanketta, joka sisältää 60 päivän pitkän aikavälin vuodelepotutkimuksen, joka tehtiin yhteistyössä Euroopan avaruusjärjestön kanssa Institut Médecine Physiologie Spatiale -laitoksessa Toulousessa, Ranskassa, ja sitä verrataan toimenpiteisiin, jotka suoritettiin pitkän aikavälin vuodelepokokeessa.

"Sisäänajo"-vaihe; Onnistuneen lääketieteellisen seulonnan jälkeen osallistujat aloittavat sisäänajovaiheen, jonka aikana heidän tavanomaista aktiivisuuttaan arvioidaan kiihtyvyysmittauksella. Yksilölliset energiantarpeet arvioidaan käyttämällä muunnettua Harris-Benedictin lepoaineenvaihduntayhtälöä ja fyysisen aktiivisuuden tason tekijää ja standardoitua ruokavaliota (makroravinteiden koostumus (ilmaistuna prosentteina ravinnon kokonaisenergian saannista) on ~55 % hiilihydraatteja, ~30 % rasvaa ja ~15 % proteiinia) tarjotaan 3 päivää ennen ensimmäistä koeistuntoa. Tätä istuntoa edeltävänä päivänä osallistujia pyydetään pidättäytymään kaikista rasittavista harjoituksista ja paastoamaan keskiyöstä lähtien ja nauttimaan vain vettä tuolta ajalta. Saapumisen yhteydessä tehdään kaksoisenergiaröntgenabsorptiometria (DEXA) koko kehon ja jalkojen rasvamassan karakterisoimiseksi. Tämän jälkeen osallistujaa pyydetään makaamaan sairaalavuoteessa makuuasennossa (yksi tyyny) ja lihastilavuuden ja arkkitehtuurin mittaukset määritetään vastus lateralis -lihaksen ultraäänikuvauksella käyttämällä 100 mm lineaarista 13-4 megahertsin koetinta. Tämä tarjoaa maailmanlaajuisen esityksen nelipäisen lihaksen anatomiasta, jotta voidaan standardoida laskelmia jalkojen glukoosin ottoa ja määrittää lihasmassan ja intramyosellulaarisen lipidien osuus jalkojen insuliiniresistenssistä. Lihasbiopsianäytteet otetaan vastus lateralisista ennen 3 tunnin hyperinsulineemista euglykeemistä puristinta ja välittömästi sen jälkeen (3). Lihasbiopsiat otetaan Bergström-tekniikalla steriileissä olosuhteissa paikallispuudutuksen injektion jälkeen. Anterogradinen reisilaskimokatetri asetetaan (käyttämällä Seldinger-tekniikkaa ultraääniohjauksessa), jotta jaloista valuva laskimoveri voidaan analysoida glukoosipitoisuuden suhteen ja verrata valtimolaskimoverinäytteiden glukoosipitoisuuteen (aikapisteet 0, 150, 160, 170 ja 180 minuuttia). Samanaikaisesti kun reisiluun laskimoverinäyte otetaan, tehdään ultraäänitutkimuksella reisivaltimon verenvirtausarvio (mmol/min), jotta jalan glukoosin otto voidaan laskea. Epäsuora kalorimetria suoritetaan ennen ja viimeisen 15 minuutin aikana 180 minuutin hyperinsulinaemis-euglykeemisestä puristimesta.

"Clamp"-käynnin jälkeisenä päivänä suoritetaan 3 Teslan magneettiresonanssispektroskopia (MRS) -skannaus intramyosellulaarisen lipidien (IMCL), ekstramyosellulaarisen lipidin (EMCL) ja maksan triglyseridipitoisuuden arvioimiseksi. Magneettiresonanssikuvaus (MRI) suoritetaan myös reiden keskiosan lihasten poikkileikkauksen ja koko kehon lihasmassan määrittämiseksi. Magneettiresonanssiskannausten (MR) jälkeen osallistujille tehdään lyhyt alaraajojen proprioseptiivinen arviointi erityisesti suunnitellulla somatosensorisella laitteella, nimeltään Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Osallistujat seisovat laitteen päällä ja siirtävät kutakin nilkkaa 5 eri käännöskulman läpi ja heitä pyydetään arvioimaan nilkan asennon aste. Tämä menetelmä on validoitu proprioseptiivisen syrjinnän määrittämiseksi, ja se toistetaan päivänä 4 suoritetun MR:n jälkeen erojen arvioimiseksi ennen ja jälkeen vuodelepoa.

Ennen nukkumaanmenoajan alkamista otetaan sylki- ja virtsanäytteitä kreatiinin, kreatiniinin, veden ja 3-metyylihistidiinin (MH) taustamerkinnän mittaamiseksi deuteriumilla. Tämän jälkeen osallistujille tarjotaan stabiileja isotooppimerkkiaineita sisältävä juoma; deuteroitua kreatiinia (D3-kreatiinia 30 mg; koko kehon lihasmassan mittaamiseen) ja deuteroitua eli "raskasta" vettä (D2O, 3 g/kg ruumiinpainoa, jaettuna kolmeen osaan, jotka nautitaan 20 minuutin välein lihasproteiinisynteesin (MPS) mittaamiseksi ) lihaskudoksen liitosmittauksista). Kaksi tuntia viimeisen D2O-annoksen nauttimisen jälkeen otetaan sylkinäyte D2O:n tasapainon mittaamiseksi koko kehon vesialtaassa. 24 tunnin virtsankeräys suoritetaan 24 tunnin kuluessa D3-kreatiinin nauttimisesta, ja pistevirtsanäyte otetaan 36, 48 ja 72 tunnin kuluttua. Virtsasta analysoidaan D3-kreatiini, jotta voidaan ottaa huomioon "spillover" ja D3-kreatiniinimerkintä, joka kuvastaa leiman laimentumista koko kehon kreatiinivarastossa. Koko kehon kreatiinialtaan koko ja lihasmassa lasketaan virtsan D3-kreatiniinirikastuksesta 72 tunnin kohdalla sen jälkeen, kun on otettu huomioon mahdollinen D3-kreatiinin menetys suoraan virtsaan. Lisäksi 24 tuntia ennen nukkumaanmenoa (päivä -1) osallistujat nauttivat juomassa metyyli-D3-3-metyylihistidiiniä (10 mg, D3-MH koko kehon lihasten myofibrillaarisen hajoamisen mittaamiseen). Toinen 10 mg annetaan 2. vuodelepopäivänä ja veren seuranta päivänä 3.

Bed lepo vaihe; Osallistujat saapuvat laitokseen kello 8.00 päivän 1 aamuna edellisenä iltana kello 22.00 alkavan yöpaaston jälkeen. Mikrogravitaation fysiologisten vaikutusten simuloimiseksi sänkyä pidetään 6°:n pään alas kallistusasennossa (HDT-asento). Tehdään Bard-mikroneulalihasbiopsia ja toistetaan seuraavana aamuna (2. vuodelepopäivä) kumulatiivisen lihasproteiinisynteesin arvioimiseksi ensimmäisen 24 tunnin vuodelevon aikana. Jokaisena biopsian jälkeisenä päivänä käsivarteen asetetaan anterogradinen laskimokanyyli verinäytteitä varten joka tunti yhteensä 6 tunnin ajan D3-MH-leimauksen mittaamiseksi.

Osallistujille tarjotaan D2O-lisäyksiä (laskettuna veden kiertonopeudesta) vuodelepopäivinä 1 ja 3 D2O-rikastuksen ylläpitämiseksi. Sylkinäyte otetaan D2O-kehon vesipitoisuuden mittaamiseksi ja virtsanäyte D3-kreatiniinimerkintää varten.

Vuodelevon aikana osallistujat nukkuvat 24 tuntia vuorokaudessa. Kaikki päivittäisen elämän toiminnot, kuten hygieniatoimenpiteet, syöminen, lukeminen ja vessassa käyminen (vuoteiden kattiloiden ja virtsapullojen käyttö) tapahtuu pään ollessa alhaalla tutkimuksen ajan. Osallistujat saavat liikkua sivulta toiselle (makamaalta vatsa- tai sivuasennosta), mutta he eivät saa nousta istumaan tai seisomaan milloin tahansa. Yhden pienen litteän tyynyn käyttö on sallittua niin kauan kuin olkapäät koskettavat patjaa. Ruokavalion saantia valvotaan, ja päivittäisen energiansaannin määrittämiseen käytetään aktiivisuuskerrointa 1,2. Viisi päivittäistä ateriaa (aamiainen, aamupala, lounas, iltapäivävälipala ja päivällinen) tarjoillaan samaan aikaan päivästä, koko ajan. Osallistujia rohkaistaan ​​nauttimaan kaikki tarjottu ruoka. He voivat kuluttaa tarjottua vähemmän, mutta eivät saa ylimääräistä ruokaa. Jokainen ruoka-aine punnitaan tarkkuusasteikolla (±0,1 g), ja jos osallistujat eivät syö kaikkea annettua ruokaa, kuluttamattomat ruoka-aineet punnitaan uudelleen ja arvo vähennetään alkuperäisestä painosta todellisen ruoan saannin saamiseksi. Koehenkilöillä on tiukka päivä-yö-kierto. Ne herätetään klo 7.00 ja valot sammutetaan klo 23.00.

Päivän 4 aamuna, yön yli paaston jälkeen, osallistujat käyvät läpi toisen "puristinpäivän" edellä kuvatulla tavalla (reiden ultraäänikuvaus, epäsuora kalorimetria, reisiluun laskimon kanylointi, lihaskoepalat ja euglykeeminen hyperinsulineminen puristin). Tämän jälkeen asteittainen, valvottu paluu "pystyasentoon" sängyssä suoritetaan jatkuvalla kardiovaskulaarisella seurannalla posturaalisen hypotension välttämiseksi. Osallistujat pysyvät sängyssä, mutta heidän sallitaan istua pystyasennossa 5. päivän aamuun asti.

Vuodelevon jälkeinen vaihe; Päivän 5 aamuna osallistujat siirtyvät (ilman painoa) pyörätuoliin ja kuljetetaan sitten 3 Teslan MR-skanneriin nukkumaanmenon jälkeisiä MR-skannauksia varten. Heitä vaaditaan paastoamaan edellisenä iltana klo 22.00 alkaen. MR-skannausten jälkeen osallistujat saavat ruokaa ja heidän annetaan palata seisomaan valvottuun ympäristöön. Sen jälkeen he käyvät läpi ohjatun kuntoutuksen Nottinghamin yliopiston kuntosalitiloissa, jotka sisältävät 6 sarjaa 8 toistoa (75 % maksimimäärästä) yhden jalan polven ojennussupistuksia satunnaisesti määrätyllä jalalla, koska tämän on osoitettu tarjoavan anabolista ärsykettä. (4) ja sen jälkeen saa palata kotiin. Kuntoutusjaksot kestävät noin 30 minuuttia. He palaavat vuoteeton lepoajan päivinä 6 ja 7 käymään lisää ohjattuja kuntoutuskertoja edellä kuvatulla tavalla. Standardoitua ravinnonsaantia ylläpidetään koko nukkumaanmenovaiheen ajan. Klo 08.00 päivän 8 aamuna he saapuvat laboratorioon suorittaakseen viimeisen "puristin"-käynnin, joka koostuu samoista edellä kuvatuista menettelyistä seuraavin muutoksin; Bergströmin lihaskoepala tehdään kuntoutusharjoittelussa ennen ja jälkeen euglykeemistä hyperinsulineemista puristinta. Vastapuoliselle jalalle tehdään Bard-mikroneulabiopsia vasta ennen 3 tunnin puristusta, jotta voidaan verrata jalkojen välistä lihasproteiinisynteesiä. Lopuksi 9. päivänä MRS- ja MRI-skannaukset suoritetaan samalla tavalla kuin edellä on kuvattu. Kun viimeinen MRS-skannaus on tehty, se on tutkimusprotokollan loppu.