Adattamenti metabolici e muscolari durante l'inattività in 3 giorni di riposo a letto

Il riposo a letto è un modello sperimentale ampiamente accettato utilizzato per studiare gli adattamenti fisiologici al volo spaziale, tra cui la perdita di massa ossea e muscolare, lo spostamento dei fluidi e il decondizionamento cardiovascolare. In generale, ai partecipanti viene chiesto di trascorrere un periodo a letto, con tutte le attività della vita quotidiana svolte in posizione orizzontale o inclinata a testa in giù (HDT), riducendo così al minimo l'uso di tutti i muscoli e determinando adattamenti fisiologici significativi simili a quelli osservati durante volo spaziale. È stato eseguito un numero considerevole di studi sul riposo a letto umano che vanno da 3 a 370 giorni di durata. Tuttavia, attualmente ci sono lacune nella nostra comprensione di; il tasso e l'entità della disregolazione fisiologica che si verifica durante la microgravità reale e simulata (poiché la maggior parte degli studi fino ad oggi ha considerato principalmente punti temporali di riposo prima e dopo il letto); i siti ei meccanismi che controllano la disregolazione indotta dal riposo a letto; se i processi alla base dei cambiamenti fisiologici acuti sono gli stessi osservati a lungo termine. Migliorare la nostra comprensione di questi problemi consentirebbe agli interventi volti a ridurre al minimo la disregolazione fisiologica indotta dal riposo a letto di essere focalizzati in modo più efficace sui periodi di tempo in cui è probabile che il tasso di insorgenza della disregolazione fisiologica sia al massimo. Ciò contribuirebbe quindi al raggiungimento del successo futuro nel volo spaziale umano prolungato, ad es. una missione con equipaggio su Marte, perché una comprensione dell'eziologia e del decorso temporale della disregolazione fisiologica che accompagna l'esposizione prolungata alla microgravità consentirebbe di attuare contromisure efficaci. Inoltre, i modelli di riposo a letto rappresentano un'opportunità unica per studiare le conseguenze del riposo a letto su coloro che possono sostenere periodi prolungati di inattività durante il ricovero, derivanti da malattia o infortunio.

L'inattività è associata allo sviluppo dell'insulino-resistenza e contribuisce allo sviluppo di molte malattie metaboliche moderne tra cui obesità, diabete di tipo 2, dislipidemia e ipertensione (1,2); con l'inattività fisica citata come causa principale del 27% dei casi di diabete e del 30% dei casi di cardiopatia ischemica. Tuttavia, il decorso temporale, la specificità tissutale relativa (fegato vs muscolo) e le basi meccanicistiche dell'insulino-resistenza indotta da inattività e la sua inversione mediante rimobilizzazione, rappresentano importanti lacune nella nostra attuale comprensione. Inoltre, l'insulino-resistenza è un'osservazione con diverse possibili eziologie ei meccanismi coinvolti nello sviluppo di questa condizione con riposo a letto/immobilizzazione a breve termine possono essere diversi da quelli coinvolti con inattività a lungo termine/cronica. Ulteriori ricerche in questo settore sono quindi giustificate.

L'attuale studio fa parte di un progetto più ampio che comprende uno studio sul riposo a letto di 60 giorni, a lungo termine, condotto in collaborazione con l'Agenzia spaziale europea, presso la struttura dell'Institut Médecine Physiologie Spatiale di Tolosa, in Francia, e sarà confrontato con le misure in corso condotto nell'esperimento di riposo a letto a lungo termine.

Fase di "rodaggio"; Dopo uno screening medico di successo, i partecipanti inizieranno una fase di "Run-in" durante la quale i loro livelli di attività abituali saranno valutati mediante accelerometria. Il fabbisogno energetico individualizzato sarà stimato utilizzando l'equazione modificata del tasso metabolico a riposo di Harris-Benedict e il fattore del livello di attività fisica e una dieta standardizzata (la composizione dei macronutrienti (espressa come percentuale dell'apporto energetico totale con la dieta) è ~ 55% di carboidrati, ~ 30% di grassi e ~15% di proteine) sarà fornito per i 3 giorni precedenti la prima sessione sperimentale. Il giorno prima di questa sessione, ai partecipanti verrà chiesto di astenersi da qualsiasi esercizio faticoso e di digiunare dalla mezzanotte, consumando solo acqua da quel momento. All'arrivo verrà eseguita una scansione di assorbimetria a raggi X a doppia energia (DEXA) per caratterizzare le masse grasse di tutto il corpo e delle gambe. Al partecipante verrà quindi chiesto di sdraiarsi su un letto d'ospedale in posizione supina (un cuscino) e le misurazioni del volume muscolare e dell'architettura saranno determinate dall'ecografia del muscolo vasto laterale utilizzando una sonda lineare da 100 mm da 13-4 megahertz. Ciò fornirà una rappresentazione globale dell'anatomia del muscolo quadricipite al fine di standardizzare i calcoli dell'assorbimento del glucosio nelle gambe e determinare il contributo della massa muscolare e dei lipidi intramiocellulari all'insulino-resistenza delle gambe. I campioni di biopsia muscolare saranno prelevati dal vasto laterale prima e immediatamente dopo un clamp euglicemico iperinsulinemico di 3 ore (3). Le biopsie muscolari saranno ottenute utilizzando la tecnica Bergström in condizioni sterili, dopo l'iniezione di anestetico locale. Verrà inserito un catetere venoso femorale anterogrado (utilizzando la tecnica di Seldinger sotto guida ecografica) per consentire l'analisi della concentrazione di glucosio del sangue venoso drenato dalla gamba e confrontarlo con la concentrazione di glucosio dei campioni di sangue venoso arterializzato (punti temporali 0, 150, 160, 170 e 180 minuti). Contemporaneamente al prelievo del sangue venoso femorale, verrà effettuata una valutazione del flusso sanguigno dell'arteria femorale (mmol/min) utilizzando l'ecografia per consentire il calcolo dell'assorbimento di glucosio della gamba. La calorimetria indiretta verrà eseguita prima e negli ultimi 15 minuti del clamp iperinsulinemico-euglicemico di 180 minuti.

Il giorno dopo la visita di "morsetto", verrà eseguita una scansione di spettroscopia di risonanza magnetica (MRS) da 3 Tesla per valutare il contenuto di lipidi intramiocellulari (IMCL), lipidi extramiocellulari (EMCL) e trigliceridi epatici. Verrà inoltre eseguita una scansione di risonanza magnetica (MRI) per determinare l'area della sezione trasversale del muscolo della metà della coscia e la massa muscolare dell'intero corpo. Dopo le scansioni di risonanza magnetica (MR), i partecipanti saranno sottoposti a una breve valutazione propriocettiva degli arti inferiori su un apparato somatosensoriale appositamente progettato chiamato Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). I partecipanti staranno in piedi sull'attrezzo e ogni caviglia si muoverà attraverso 5 diversi angoli di inversione e verrà chiesto di valutare il grado di posizione della caviglia. Questo metodo è stato validato per determinare la discriminazione propriocettiva e verrà ripetuto dopo la RM eseguita il giorno 4 per valutare le differenze prima e dopo il riposo a letto.

Prima che inizi il periodo di riposo a letto, verranno raccolti campioni di saliva e urina per misure di etichettatura di base di creatina, creatinina, acqua e 3-metilistidina (MH) con deuterio. Successivamente, ai partecipanti verrà fornita una bevanda contenente traccianti isotopici stabili; creatina deuterata (D3-creatina 30 mg; per misurare la massa muscolare di tutto il corpo) e acqua deuterata, o "pesante", (D2O, 3 g/kg di peso corporeo, suddivisa in 3 aliquote ingerite a distanza di 20 minuti, per misurare la sintesi proteica muscolare (MPS) ) dalle misurazioni dell'incorporazione del tessuto muscolare). Due ore dopo il consumo della dose finale di D2O, verrà raccolto un campione di saliva per misurare l'equilibrio di D2O in tutto il pool di acqua corporea. Una raccolta delle urine delle 24 ore verrà effettuata nelle 24 ore successive all'ingestione di D3-creatina e un campione di urina spot verrà prelevato a 36 ore, 48 ore e 72 ore. L'urina sarà analizzata per D3-creatina per tenere conto dello "spillover" e l'etichettatura di D3-creatinina che rifletterà la diluizione dell'etichetta nel pool di creatina dell'intero corpo. La dimensione totale del pool di creatina corporea e la massa muscolare saranno calcolate dall'arricchimento di creatinina D3 nelle urine a 72 ore, dopo aver tenuto conto di qualsiasi perdita di creatina D3 direttamente nelle urine. Inoltre, 24 ore prima dell'inizio del riposo a letto (giorno -1), i partecipanti ingeriranno il tracciante metil-D3-3 metilistidina (10 mg, D3-MH per misurare la rottura miofibrillare del muscolo intero) in una bevanda. Verranno somministrati altri 10 mg il giorno 2 di riposo a letto, con monitoraggio del sangue il giorno 3.

Fase di riposo a letto; I partecipanti arriveranno alla struttura alle 8:00 del mattino del primo giorno dopo un digiuno notturno dalle 22:00 della sera precedente. Per simulare gli effetti fisiologici della microgravità, il letto viene mantenuto in una posizione inclinata a testa in giù di 6° (posizione HDT). Una biopsia muscolare con microaghi di Bard verrà eseguita e ripetuta la mattina seguente (giorno 2 di riposo a letto) per valutare la sintesi proteica muscolare cumulativa nelle prime 24 ore di riposo a letto. Ogni giorno successivo alla biopsia, verrà inserita nel braccio una cannula venosa anterograda per il prelievo di sangue ogni ora per un totale di 6 ore per la misurazione della marcatura D3-MH.

Ai partecipanti verranno fornite ricariche di D2O (calcolate dai tassi di turnover dell'acqua) nei giorni 1 e 3 di riposo a letto, per mantenere l'arricchimento di D2O. Verrà prelevato un campione di saliva per misurare l'arricchimento di acqua corporea D2O e un campione di urina per l'etichettatura della creatinina D3.

Durante il riposo a letto, i partecipanti rimarranno a letto per 24 ore al giorno. Tutte le attività della vita quotidiana come le procedure igieniche, mangiare, leggere e "andare" in bagno (uso di padelle e bottiglie di urina) si svolgono mantenendo la posizione a testa in giù per tutta la durata dello studio. I partecipanti possono spostarsi da un lato all'altro (dalla posizione supina a quella ventrale o laterale), ma non sono autorizzati a sedersi o stare in piedi in qualsiasi momento. È consentito l'uso di un cuscino piatto di piccole dimensioni purché le spalle tocchino ancora il materasso. L'assunzione dietetica sarà controllata, con un moltiplicatore di attività di 1,2 utilizzato per determinare il fabbisogno energetico giornaliero. Cinque pasti giornalieri (colazione, spuntino mattutino, pranzo, spuntino pomeridiano e cena) vengono serviti alla stessa ora del giorno. I partecipanti sono incoraggiati a consumare tutto il cibo fornito. Possono consumare meno di quanto previsto, ma non riceveranno cibo aggiuntivo. Ogni alimento viene pesato su una bilancia di precisione (±0,1 g) e laddove i partecipanti non mangino tutto il cibo dato, gli alimenti non consumati vengono nuovamente pesati e il valore sottratto dal peso iniziale per fornire l'effettiva assunzione di cibo. I soggetti mantengono un rigoroso ciclo giorno-notte. Vengono svegliati alle 7:00 e le luci si spengono alle 23:00.

La mattina del giorno 4, dopo un digiuno notturno, i partecipanti subiranno il secondo giorno di "morsetto" come descritto sopra (ecografia della coscia, calorimetria indiretta, cannulazione della vena femorale, biopsie muscolari e morsetto iperinsulinemico euglicemico). Successivamente, verrà effettuato un ritorno graduale e controllato alla "posizione eretta" nel letto, con monitoraggio cardiovascolare continuo per evitare ipotensione posturale. I partecipanti rimarranno a letto ma potranno stare seduti in posizione eretta fino alla mattina del quinto giorno.

Fase post riposo a letto; La mattina del quinto giorno, i partecipanti si trasferiranno (senza carico) su una sedia a rotelle, quindi trasportati allo scanner MR 3 Tesla per le loro scansioni RM dopo il riposo a letto. Dovranno essere tenuti a digiuno dalle 22:00 della sera precedente. Dopo le scansioni RM, i partecipanti verranno nutriti e potranno tornare in piedi in un ambiente controllato. Saranno quindi sottoposti a riabilitazione supervisionata nelle strutture della palestra dell'Università di Nottingham comprendenti 6 serie di 8 ripetizioni (al 75% del massimo) di contrazioni di estensione del ginocchio su una gamba su una gamba assegnata in modo casuale, poiché è stato dimostrato che ciò fornisce uno stimolo anabolico (4), e quindi essere autorizzato a tornare a casa. Le sedute riabilitative dureranno circa 30 minuti. Torneranno nei giorni 6 e 7 del periodo di riposo non a letto per sottoporsi a ulteriori sessioni di riabilitazione supervisionata come sopra. L'assunzione dietetica standardizzata sarà mantenuta per tutta la fase successiva al riposo a letto. Alle ore 08:00 del mattino del giorno 8 si presenteranno in laboratorio per sottoporsi ad una visita finale di “clamp” consistente nelle stesse modalità sopra descritte, con la seguente modifica; una biopsia muscolare Bergström verrà eseguita sulla gamba che ha subito l'esercizio fisico riabilitativo pre e post clamp iperinsulinemico euglicemico. Una biopsia con microago di Bard verrà eseguita sulla gamba controlaterale solo prima del clamp di 3 ore, al fine di confrontare la sintesi proteica muscolare tra le gambe. Infine, il giorno 9 le scansioni MRS e MRI verranno eseguite nello stesso modo sopra descritto. Quando la scansione MRS finale sarà stata eseguita, quella sarà la fine del protocollo di studio.