Stimolazione elettrica per attenuare l'atrofia muscolare

Introduzione:

Il muscolo scheletrico risponde allo stimolo del carico meccanico per la crescita e il mantenimento. Riduzioni prolungate dell'attività muscolare e del carico meccanico come il volo spaziale, l'immobilizzazione degli arti, il riposo a letto e/o l'inattività alterano l'equilibrio tra sintesi proteica e degradazione, con conseguente atrofia del muscolo scheletrico (1-3). Ciò è caratterizzato da una diminuzione della massa muscolare, dell'area della sezione trasversale delle miofibre, della forza contrattile e della velocità, nonché dalla trasformazione del tipo di fibra da lenta a veloce (4,5). È stato riportato che molte contromisure attenuano la perdita di atrofia muscolare e la stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES) è stata frequentemente utilizzata in condizioni quali lesioni del midollo spinale, immobilizzazione e disuso muscolare post-chirurgico (6,7). In effetti, una recente revisione Cochrane sull'efficacia dell'NMES per la debolezza muscolare negli adulti con malattie progressive come la BPCO, l'insufficienza cardiaca cronica e il cancro ha indicato che l'NMES è un mezzo efficace per migliorare la debolezza muscolare (8). Le meta-analisi includevano undici studi randomizzati controllati (RCT) che hanno coinvolto un totale di 218 partecipanti. L'NMES ha migliorato significativamente la forza del quadricipite con una differenza media standardizzata (SMD) di 0,9 (intervallo di confidenza al 95% (CI) da 0,33 a 1,46). Questo è approssimativamente uguale a 25 Newton metri (Nm) e dovrebbe essere considerato clinicamente significativo. Allo stesso modo, anche un'altra recente revisione sistematica ha dimostrato che l'NMES è efficace nel prevenire la debolezza dei muscoli scheletrici nei pazienti critici. Nell'analisi sono stati inclusi otto studi ammissibili che hanno coinvolto 172 pazienti. Degli otto studi, cinque studi hanno riportato un aumento della forza o una migliore conservazione della forza con NMES, con uno studio con una dimensione dell'effetto ampia (1,44). Due studi hanno riscontrato una migliore conservazione della massa muscolare con NMES, con dimensioni dell'effetto da piccole a moderate (0,11-0,39), mentre in altri due studi non sono stati riscontrati benefici significativi (9).

L'efficacia dell'NMES dipende dalle condizioni cliniche ed è influenzata da diversi parametri di stimolazione, in particolare la frequenza e la durata della stimolazione. Tradizionalmente, NMES è stato visto come l'applicazione di una corrente elettrica transcutanea alla giunzione neuromuscolare, volta a depolarizzare il potenziale d'azione dell'unità motoria e ad indurre la contrazione muscolare (10). Questa contrazione muscolare indotta elettricamente simula il rafforzamento muscolare attivo e si basa sul principio dell'allenamento muscolare secondo cui, con un carico adeguato, la forza muscolare verrà aumentata. Per ottenere questo effetto di allenamento, i parametri di stimolazione impiegati normalmente miravano a produrre contrazioni tetaniche con una densità di corrente che il soggetto può tollerare al massimo (8,9). Tuttavia, questo protocollo di stimolazione attualmente adottato (es. l'alta frequenza pari o superiore a 50 Hz, l'ampiezza al limite massimo tollerato dai soggetti e la breve durata (da 30 minuti a 1 ora) per contrastare l'atrofia muscolare presenta due svantaggi principali. In primo luogo, è stato ben stabilito che lo scarico meccanico è associato a modifiche dannose della struttura e della funzione dei muscoli scheletrici, caratterizzate da riduzione della massa muscolare, dell'area della sezione trasversale delle miofibre, della forza contrattile e della velocità, nonché dalla velocità da lenta a veloce trasformazione del tipo di fibra (per la revisione, vedere 11). Pertanto, le fibre muscolari a contrazione lenta sono più suscettibili allo scarico o all'effetto di disuso rispetto alle fibre muscolari a contrazione rapida. Il tradizionale protocollo di stimolazione ad alta frequenza (50 Hz) non corrisponde allo schema di attivazione dell'unità motoria di un muscolo a contrazione lenta. Inoltre, l'elevata densità di corrente provocherebbe inevitabilmente disagio se non dolore ai soggetti durante la stimolazione elettrica. I soggetti non possono tollerare la stimolazione elettrica per ore. Questo è particolarmente vero se l'applicazione è per i soggetti con atrofia muscolare da disuso o soggetti con debolezza muscolare causata da malattie progressive. Molto spesso, la tolleranza al dolore di questo gruppo di soggetti è generalmente inferiore rispetto ai normali soggetti sani. Pertanto, il protocollo attualmente adottato potrebbe non necessariamente rendere il miglior risultato possibile di NMES per il miglioramento della funzione muscolare. Gli effetti benefici di NMES per contrastare l'atrofia muscolare non erano stati pienamente utilizzati. Una recente revisione sistematica che esamina i cambiamenti metabolici e strutturali nel muscolo scheletrico degli arti inferiori dopo la stimolazione elettrica neuromuscolare ha identificato solo 18 studi. Otto di questi studi hanno esaminato le attività enzimatiche, sette studi sulla composizione delle fibre muscolari e 14 sulla dimensione delle fibre muscolari. Di questi 18 studi, solo 9 sono studi RCT e la qualità metodologica era generalmente scarsa. Gli autori hanno concluso che l'NMES sembra essere in grado di produrre cambiamenti favorevoli nell'attività degli enzimi ossidativi, nel tipo di fibre muscolari scheletriche e nelle dimensioni delle fibre muscolari scheletriche. In considerazione della grande eterogeneità nei protocolli NMES, gli autori hanno concluso che non vi era un consenso definito riguardo alle frequenze di stimolazione per cambiamenti muscolari ottimali (12). Ad esempio, Theriault et al. (13) avevano condotto una stimolazione elettrica prolungata all'estensore del ginocchio di 8 adulti sani. Il protocollo di stimolazione elettrica aveva una durata di 8 settimane per 8 ore al giorno e 6 giorni alla settimana. Il parametro di stimolazione era di bassa frequenza (8 Hz) con intensità appena in grado di produrre vibrazioni visibili. I risultati hanno suggerito un miglioramento significativo delle prestazioni dell'estensore del ginocchio dopo 4 settimane di stimolazione. Tuttavia, lo studio non è uno studio RCT e vi è un gruppo di controllo nello studio. D'altra parte, uno degli studi RCT che ha studiato gli effetti dell'NMES e ha incorporato l'alta frequenza (50 Hz) ma l'ampiezza molto bassa (senza contrazione muscolare) poiché il gruppo placebo aveva incidentalmente rivelato che il placebo produceva un effetto migliore rispetto al gruppo di intervento. Il gruppo NMES rispetto al gruppo placebo con una SMD di -0,12 (IC 95%: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee e il suo gruppo hanno anche dimostrato che un protocollo di stimolazione elettrica a bassa frequenza (4 Hz) ma ad alta ampiezza (300 mA), 1 ora/giorno per 6 settimane può aumentare significativamente la forza del quadricipite di adulti sedentari sani e pazienti con insufficienza cardiaca cronica stabile ( 15, 16). Pertanto, i risultati della scienza di base e di questi studi clinici hanno suggerito la necessità di un'ulteriore esplorazione di un protocollo di stimolazione NMES più efficace per attenuare l'atrofia muscolare.

Obiettivi e ipotesi da verificare:

Per affrontarli, i ricercatori di questa proposta hanno sfidato il pensiero tradizionale secondo cui NMES dovrebbe essere ad alta frequenza e ad alta ampiezza. I ricercatori avevano testato l'ipotesi che la bassa frequenza e la bassa ampiezza fossero efficaci nell'attenuare l'atrofia muscolare e avevano studiato i meccanismi cellulari associati allo scarico muscolare. Usando il modello animale di sospensione degli arti posteriori, i ricercatori hanno precedentemente dimostrato che, durante la sospensione degli arti posteriori, l'applicazione di stimolazione elettrica a bassa frequenza a 20 Hz sui muscoli soleo con parametri temporali e di impulso definiti ha parzialmente salvato la perdita di cellule satellite e migliorato l'incrocio delle fibre. aree sezionali (17). I ricercatori hanno ulteriormente dimostrato che utilizzando un paradigma di stimolazione elettrica di frequenza: 20 Hz; durata: 3 ore, due volte al giorno per topi BALB/c maschi di otto settimane che sono stati sottoposti a uno scarico degli arti posteriori (HU) di 14 giorni. Questo paradigma di stimolazione può migliorare il potenziale proliferativo delle cellule satellite e sopprimere la morte cellulare per apoptosi nell'atrofia muscolare indotta dal disuso. Morfologicamente, l'arto posteriore con stimolazione elettrica ha mostrato un miglioramento significativo della massa muscolare, dell'area della sezione trasversale e del picco di forza tetanica rispetto all'arto HU (18). Recentemente, i ricercatori hanno ulteriormente studiato il protocollo di stimolazione ottimale e hanno dimostrato che tra i tre protocolli a bassa frequenza, 2, 10 e 20 Hz, la stimolazione a 2 Hz per 2 × 3 h/giorno ha ottenuto l'effetto migliore nell'attenuare la perdita di fibre muscolari incrociate. area sezionale e forza. Questo parametro di stimolazione ha portato ad un aumento di 1,2 volte nella proliferazione delle cellule satellite ed è stato efficace nel salvare le cellule dall'apoptosi (19). Con tutti questi risultati incoraggianti della ricerca scientifica di base, i ricercatori ritengono che il nuovo paradigma proposto di NMES possa essere testato su soggetti con atrofia muscolare progressiva. I ricercatori ipotizzano che l'NMES a 2 Hz per 2 × 3 ore al giorno sia efficace nell'attenuare/migliorare l'atrofia dei muscoli posturali degli arti inferiori, vale a dire il quadricipite e il complesso del muscolo gastrocnemio e soleo.

Piano di indagine:

Sulla base dei risultati della letteratura esistente sull'attuale protocollo di stimolazione NMES adottato per attenuare l'atrofia muscolare o migliorare le prestazioni muscolari in varie popolazioni, i ricercatori hanno ipotizzato che il nuovo paradigma proposto di NMES sarebbe più efficace nel migliorare l'area della sezione trasversale muscolare (CSA ), forza, resistenza, tolleranza all'esercizio ed è più accettabile da soggetti che necessitavano di NMES per attenuare l'atrofia muscolare con varie condizioni mediche, in particolare pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO).