Approcci non invasivi per identificare la causa dell'affaticamento nei pazienti con malattie infiammatorie intestinali. (IBD Fatigue)

Informazioni di base L'affaticamento da malattia infiammatoria intestinale (IBD) è, insieme alla diarrea, il sintomo medico più comune nei pazienti con malattia di Crohn (MC) attiva e il secondo disturbo più comune dopo l'artralgia nei pazienti con MC in remissione. La partnership per la definizione delle priorità IBD tra la James Lind Alliance e la British Society of Gastroenterology ha evidenziato che l'affaticamento IBD è una delle prime 10 priorità della ricerca nel Regno Unito.

La prevalenza della fatica varia dal 41 al 48% quando è in remissione, aumentando fino all'86% quando la malattia è attiva. L'affaticamento cronico è associato a una ridotta qualità della vita correlata alla salute nelle IBD e a una ridotta attività fisica, che nelle coorti pediatriche svolge un ruolo importante nel normale sviluppo della crescita. In assenza di cause cliniche reversibili come anemia, carico infiammatorio o carenza di nutrienti, non è ancora chiaro cosa causi la fatica in questi pazienti. Gli approcci attuali sono limitati nell'offrire indizi su potenziali approcci terapeutici o un'accurata valutazione clinica per i pazienti affetti da celiachia. Ciò è probabilmente dovuto alla mancanza di un approccio multicomponente e alla scarsa sensibilità metodologica e affidabilità nella valutazione della fatica. Un concetto multidimensionale di componenti fisiche, cognitive e affettive è stato suggerito per l'affaticamento IBD. Tuttavia, non è chiaro come trattare l'affaticamento IBD. La terapia fisica, gli interventi psicosociali e la terapia focalizzata sulla soluzione sono tutti suggeriti come opzioni terapeutiche, ma nessuna si è dimostrata efficace in modo convincente.

La fatica deriva dai processi periferici e centrali, che sono entrambi ugualmente importanti. Mentre l'affaticamento periferico è attribuito all'eziologia muscolare, l'affaticamento centrale è una progressiva riduzione indotta dall'esercizio dell'attivazione volontaria del muscolo a causa del fallimento del sistema nervoso centrale (SNC). Gli approcci attuali sono stati limitati nel non riuscire a quantificare adeguatamente l'affaticamento periferico a livello muscolare e l'affaticamento centrale a livello del SNC.

Fatica periferica: la necessità di attività muscolare

La fatica fisica è legata alla ridotta massa e qualità muscolare (sarcopenia) e di conseguenza alla ridotta funzionalità muscolare. I driver della perdita di massa muscolare includono l'inattività fisica e la resistenza anabolica, che in larga misura attenuano l'effetto stimolante della nutrizione proteica sulla sintesi proteica muscolare. In linea con questo, i pazienti con MC attiva mostrano una significativa diminuzione dell'espressione delle vie di segnalazione del muscolo scheletrico ipertrofico, ma nessun cambiamento nell'espressione dei segnali di atrofia.

La scarsa qualità muscolare è un importante fattore di disfunzione metabolica che viene spesso trascurato come fattore di affaticamento periferico. In dati preliminari non pubblicati, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che il muscolo scheletrico di pazienti con celiachia attiva mostra un assorbimento ridotto di glucosio in risposta all'alimentazione con glucosio, suggerendo una ridotta qualità metabolica muscolare nei pazienti con celiachia.

Nei soggetti con IBD affaticati, le dimensioni dell'effetto medio-grandi per la ridotta capacità aerobica (VO2max), la forza muscolare e l'attività fisica sono osservate nei soggetti con affaticamento rispetto ai soggetti senza storia di affaticamento segnalata e alla popolazione normale. L'inattività fisica nella malattia celiaca quiescente potrebbe essere una spiegazione alla base di queste osservazioni, indicando che l'inattività secondaria al carico di malattia è l'eziologia della fatica nella celiachia, proprio come nella broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). L'inattività fisica è già stata dimostrata nella CD sia in coorti pediatriche che adulte ed è stata significativamente correlata all'attività della malattia, ma è ancora prevalente nella remissione. Sebbene ciò possa implicare circolarità nell'eziologia della fatica nel contesto dell'inattività fisica, è improbabile che questi due fattori abbiano una semplice relazione diretta di causa ed effetto. Infatti, quando l'attività fisica abituale è abbinata tra i volontari, l'affaticamento dei muscoli scheletrici è ancora prevalente nella CD e prevalentemente in quei soggetti che lamentano affaticamento. Collettivamente, questi dati sono indicativi del fatto che sia la ridotta forma cardio-respiratoria che il decondizionamento dei muscoli periferici (probabilmente collegato alla ridotta densità mitocondriale muscolare) stanno contribuendo allo sviluppo precoce della fatica nei pazienti con IBD che riferiscono sintomi di fatica.

Affaticamento centrale: la necessità di regolazione cardio-respiratoria

Il muscolo scheletrico, il sistema cardio-respiratorio e il sistema nervoso centrale sono interconnessi. Nei dati preliminari, è stato dimostrato per la prima volta che è possibile valutare il cambiamento della perfusione cerebrale (o flusso sanguigno cerebrale; CBF), una misurazione indiretta della misurazione emodinamica dell'attività neuronale cerebrale, utilizzando tecniche di risonanza magnetica funzionale, in relazione a diminuzione della forma fisica cardiovascolare con l'età. Questi dati hanno dimostrato che il CBF misurato direttamente utilizzando l'etichettatura di spin arteriosa (ASL) o indirettamente utilizzando il livello di ossigeno nel sangue (BOLD) era ridotto nelle persone anziane con ridotta capacità cardiorespiratoria e che sono probabilmente più affaticabili rispetto ai giovani volontari. Ciò suggerisce che l'accoppiamento tra CBF e attività cerebrale può essere modulato dalla gittata cardiaca e quindi essere manipolato per migliorare la funzione cerebrale legata all'affaticamento centrale nei pazienti con CD.

Ciò evidenzia il potenziale delle tecniche di risonanza magnetica cerebrale funzionale non invasiva per determinare l'effetto della perfusione cerebrale durante l'esercizio sull'affaticamento centrale nei pazienti con celiachia. Inoltre, questi approcci quantitativi potrebbero essere utilizzati per determinare se i miglioramenti della forma cardiovascolare e l'appropriato esercizio a valle o gli interventi farmacologici possono alterare l'affaticamento centrale.

1.Obiettivi e scopo dell'indagine proposta

Ipotesi: i ricercatori ipotizzano che l'eziologia dell'affaticamento IBD risieda collettivamente nel decondizionamento dei muscoli periferici e nell'affaticamento centrale del cervello, quest'ultimo secondario a una riduzione della forma cardio-respiratoria e/o della gittata cardiaca, tale che sia l'affaticamento centrale che quello periferico contribuiscono all'affaticamento sviluppo nell'IBD.

Obiettivi:

Per affrontare questa ipotesi, i ricercatori mirano a reclutare una coorte di pazienti CD affaticati e non affaticati in remissione e volontari sani abbinati a età, sesso, massa muscolare e attività fisica. I sintomi di affaticamento saranno definiti attraverso questionari pertinenti allo screening. Gli investigatori quantificheranno successivamente oggettivamente la forza muscolare degli estensori del ginocchio durante una contrazione isometrica volontaria massima e lo sviluppo della fatica nel gruppo muscolare del quadricipite. Quest'ultimo sarà definito come la perdita nello sviluppo del picco di coppia muscolare in 20 estensioni isocinetiche consecutive del ginocchio. Verranno studiati i ruoli periferici (muscoli) e centrali (SNC) nell'eziologia della fatica. Il decondizionamento muscolare periferico sarà studiato quantificando la risintesi muscolare della fosfocreatina (PCr) durante il recupero dall'esercizio utilizzando MRS 31fosforo, mentre il potenziale di affaticamento centrale sarà esaminato attraverso varie misure della perfusione del SNC e dell'estrazione frazionata di ossigeno cerebrale utilizzando la risonanza magnetica.

Piano dettagliato di indagine e procedure/metodologia scientifica

Gli investigatori mirano a reclutare 32 pazienti con CD in remissione, con e senza una storia di affaticamento IBD (n = 16 per la coorte di affaticamento IBD e n = 16 per nessuna coorte di affaticamento IBD) entro 36 mesi. Queste coorti saranno confrontate con 16 controlli sani abbinati per età, sesso, massa muscolare e attività fisica (dalla nostra unità di ricerca biomedica sulle malattie digestive di Nottingham e dai database MRC / ARUK esistenti) per sottoporsi al protocollo sperimentale descritto di seguito. Gli investigatori abbineranno specificamente l'attività fisica per indagare sul suo potenziale effetto primario sulla fatica.

Obiettivo 1 (Giorno 1): determinare la forza muscolare, l'affaticamento e l'idoneità cardiorespiratoria.

Dopo il consenso, i volontari CD e controlli abbinati sani eseguiranno 3 estensioni isometriche massime del ginocchio del gruppo muscolare del quadricipite (ciascuno separato da 30 secondi) per determinare la forza muscolare. Successivamente, i volontari eseguiranno 20 estensioni massime del ginocchio della gamba singola su un dinomometro isocinetico Cybex (Cybex Norm, USA) a una velocità angolare costante di 90 gradi al secondo per determinare lo sviluppo della coppia muscolare. Ogni massima contrazione volontaria inizierà da una posizione di 90 gradi di flessione del ginocchio e continuerà fino al punto di completa estensione del ginocchio. Dopo ogni contrazione, la gamba tornerà passivamente alla posizione iniziale (circa 1,1 s) dalla quale inizierà immediatamente la contrazione successiva. La misura dell'esito e la definizione gold standard di affaticamento in questo obiettivo saranno definite come il declino nella generazione della coppia di picco per ogni contrazione durante le 20 estensioni del ginocchio. È stato precedentemente dimostrato che le contrazioni volontarie massime a questa velocità determinano il reclutamento di fibre muscolari di tipo I e di tipo II del gruppo muscolare del quadricipite. Trenta minuti dopo, i volontari si sottoporranno a un test di esercizio supino continuo, incrementale, utilizzando uno stepergometro compatibile con la RM (pedale diagnostico Ergospect). L'esercizio inizierà con un carico di lavoro basso, che aumenterà ogni 3 minuti per determinare il VO2 di picco durante l'esercizio in posizione supina utilizzando l'analisi on-line dei gas espirati (Cosmed, Roma, Italia). La produzione di anidride carbonica (CO2) e il consumo di ossigeno (O2) saranno misurati durante il test e utilizzati per misurare il picco di assorbimento di ossigeno e il rapporto di scambio respiratorio (RER). Questi dati saranno normalizzati alla composizione corporea misurata mediante assorbimetria a raggi X a doppia energia (DEXA; Lunar Prodigy, GE Medical Systems, Bucks, Regno Unito) e forniranno una misura gold standard della forma fisica cardiorespiratoria (o aerobica).

Obiettivo 2 (giorno 2): determinare la perfusione cerebrale e l'affaticamento centrale.

Recentemente, in collaborazione con i ricercatori del Sir Peter Mansfield Imaging Center dell'Università di Nottingham, i ricercatori hanno sviluppato un protocollo per quantificare la risposta vascolare corticale all'esercizio nei volontari e la sua modulazione nell'invecchiamento e nella forma fisica cardiorespiratoria. Qui, lo stesso approccio verrà utilizzato per valutare la risposta vascolare corticale all'esercizio nelle regioni cerebrali associate all'affaticamento centrale dei pazienti affetti da celiachia.

Per studiare questo meccanismo nei pazienti affetti da celiachia, i ricercatori propongono di misurare la gittata cardiaca e la perfusione cerebrale e regionale utilizzando misure dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) e la risonanza magnetica arteriosa con spin-labeling (ASL) nonché l'estrazione frazionata di ossigeno utilizzando TRUST-MRI rispettivamente durante l'esercizio supino del quadricipite con l'ergometro compatibile RM (pedale diagnostico Ergospect) a determinati valori di VO2max relativo (come misurato nell'Obiettivo 1).

Questo approccio multimodale determinerà un potenziale disaccoppiamento tra perfusione cerebrale e attività neuronale e il ruolo dell'ipossiemia centrale nell'affaticamento centrale dei pazienti con IBD rispetto ai controlli sani. Inoltre, questi dati saranno correlati al fitness cardiorespiratorio, alla forza muscolare e all'affaticamento, e determineranno il ruolo predominante dei processi centrali nell'affaticamento dei pazienti con IBD. Se queste misure vascolari cerebrali sono associate allo sviluppo della fatica, allora questo indice di accoppiamento neurovascolare potrebbe trarre beneficio dall'esercizio fisico in modo simile al tessuto muscolare.

Obiettivo 3 (Giorno 2): Determinare il decondizionamento muscolare.

Per mantenere l'energia (ATP) durante l'esercizio, il muscolo scheletrico regola la produzione ossidativa (mitocondriale) e non mitocondriale di ATP. Negli individui sani, il contributo relativo della produzione di ATP non mitocondriale alla produzione totale di energia è generalmente dettato dall'intensità dell'esercizio, che determina l'entità dell'accumulo di sottoprodotti metabolici che sono direttamente collegati al disagio muscolare e all'affaticamento. Negli stati di malattia, la fatica esacerbata e il dolore muscolare sono stati attribuiti alla riduzione del flusso sanguigno muscolare e/o alla riduzione della massa mitocondriale.

Per separare questi due processi nei pazienti CD, il flusso sanguigno dell'arto sarà occluso con un bracciale, mentre i partecipanti eseguiranno ripetuti esercizi di flessione plantare in uno scanner MRI. Ciò porterà a zero la PCr (la riserva disponibile di ATP). In particolare, i partecipanti con un polsino dell'arto inferiore eseguiranno 30 contrazioni in un periodo di 5 minuti utilizzando un ergometro compatibile con la RM. Una volta rimossa la cuffia, saranno sottoposti a misurazioni di risonanza magnetica in vivo 31P (31P MRS) non invasive e consolidate sul gastrocnemio per determinare il tasso di risintesi della PCr durante il recupero a riposo. I dati 31P MRS saranno mediati, elaborati e quantificati utilizzando metodi interni.

Poiché il tasso di risintesi di PCr è direttamente proporzionale alla massa mitocondriale e l'apporto di ossigeno non è limitante durante il recupero dall'esercizio, questo ci consentirà di misurare il decondizionamento metabolico muscolare in vivo.

Misura di prova

1. Idoneità cardiorespiratoria: i ricercatori hanno precedentemente dimostrato che il VO2max di un volontario sano è 3,65 (0,5) L/min, mentre il VO2max di un paziente IBD affaticato è 1,99 (0,44) L/min e un paziente non affaticato è 2,43 (0,75 ) L/min. Assumendo una potenza dell'80% e α=0,05, sono necessari 6 soggetti in ogni gruppo per mostrare una differenza significativa tra i volontari sani e la coorte non affaticata, e 13 pazienti in ogni gruppo sono necessari per mostrare una differenza tra i 2 CD coorti.
2. Affaticamento muscolare: l'estensione massima della coppia muscolare di 180⁰/s (Nm) è inferiore nei pazienti con IBD affaticati rispetto ai pazienti con IBD non affaticati (rispettivamente 60,73 vs 73,5, SD 12,3). Assumendo una potenza del 90% e α=0,05, sono necessari 16 soggetti CD in ciascun gruppo per mostrare una differenza tra coorti CD affaticate e non affaticate. È importante sottolineare che il tasso di affaticamento muscolare (definito come il gradiente di diminuzione della forza dalla ripetizione 2 a 30 di un protocollo di esercizio) è significativamente maggiore nei volontari sani con CD rispetto a 5,2 Nm/min vs 1,3 Nm/min, SD 3. In questo caso , assumendo una potenza del 90% e α=0,05, sono necessari 11 soggetti in ciascun gruppo per mostrare una differenza tra CD e volontari sani.
3. Condizionamento muscolare: studi recenti hanno dimostrato che il tasso di risintesi di Pcr è di 27,9 ± 0,6 s nei soggetti sedentari magri, mentre è di 36,5 ± 2,4 s nei pazienti con diabete mellito di tipo 2 (T2DM). Pertanto, assumendo una potenza del 100% e α=0,05, sono necessari 3 soggetti in ciascun gruppo per mostrare una differenza tra i volontari sani e la coorte potenzialmente affaticata come i pazienti con T2DM.
4. Resistenza anabolica: inoltre, il nostro recente lavoro sulla resistenza anabolica ha già mostrato differenze significative nella qualità muscolare tra CD e volontari sani (differenza significativa osservata n=5 pazienti). La percentuale di affaticamento dell'avambraccio nel braccio dominante è rispettivamente del 26,75%±11,1 e del 18,3±7,8 in CD e nei controlli. Ipotizzando una potenza dell'80% e α=0,05, sono necessari 11 soggetti per braccio.
5. MRI: non è possibile alimentare questo esatto studio MRI poiché i dati pilota in queste coorti IBD non sono stati raccolti. Tuttavia, i ricercatori hanno precedentemente dimostrato che la perfusione cerebrale nei giovani aumenta del 18 ± 6% per il 30% VO2max durante un test di fitness cardiorespiratorio. Mentre negli anziani aumenta solo del 3±4 %. Assumendo una potenza del 100% e α=0,05, sono necessari 10 soggetti in ciascun gruppo per mostrare una differenza significativa tra volontari sani (giovani) e una coorte potenzialmente affaticata (anziani). Inoltre, per l'analisi fMRI BOLD si ritiene generalmente che sia necessario un minimo di 12 soggetti in ciascuna coorte, con una migliore sensibilità degli scanner RM (e quindi un rapporto segnale-rumore temporale (SNR) più elevato che ora consente migliori analisi dei singoli soggetti.

Per i motivi di cui sopra, i ricercatori ritengono che 16 soggetti in ciascun gruppo (CD affaticato, CD non affaticato e volontari sani) saranno sufficienti per mostrare una differenza nei nostri endpoint oggettivi scelti.

Analisi dei dati La fatica sarà misurata come il declino nello sviluppo della coppia di picco su 20 estensioni isocinetiche del ginocchio come descritto sopra. Il tasso di risintesi della PCr e l'estrazione frazionata di ossigeno cerebrale saranno gli endpoint primari negli obiettivi 2 e 3.

I dati 31P MRS saranno analizzati utilizzando un software NMR standard (software jMRUI per MRS clinico e biomedico). Precisamente, tutti gli spettri delle serie temporali saranno apodizzati (forma Lorentziana 15-20 Hz). Da questi spettri, le intensità di segnale di 5 picchi saranno determinate dopo il lineshaping. Il pH sarà determinato prima e alla fine del protocollo di esercizio misurando lo spostamento di frequenza tra PCr e Pi, mentre il codice scritto internamente in MATLAB (MathWorks Inc., Matrix House, Cambridge, UK) sarà utilizzato per ulteriori calcoli del tasso di recupero della PCr. In questo caso, le intensità dell'area di picco del picco PCr da jMRUI verranno utilizzate come input nello script per adattare i dati temporali utilizzando una funzione mono-esponenziale: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ t); dove PCr è il livello di intensità del picco di PCr, C una costante, τ [s] la costante di frequenza per il recupero di PCr e t [s] tempo, a partire dalla fine del protocollo di esercizio (t0). La riproducibilità delle misure 31P MRS dell'energetica muscolare è stata recentemente valutata in esseri umani allenati e mostra che il coefficiente di variazione durante l'esercizio (27%) ea riposo (8%) era relativamente basso e la differenza era rilevabile con 15 volontari. Ciò conferma che l'approccio 31P MRS fornisce misure riproducibili e sperimentalmente utili del tasso di risintesi di PCr nel muscolo scheletrico umano.

I dati BOLD MRI saranno analizzati utilizzando pacchetti standard di neuroimaging (Statistical Parametric Mapping (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience e software FMRIB Software Library. Le immagini saranno corrette dal movimento, normalizzate su un modello standard del Montreal Neurological Institute per facilitare la media tra i partecipanti. Per tutte le acquisizioni di dati, gli investigatori registreranno il vettocardiogramma (VCG) e il movimento respiratorio per consentire la correzione dei dati per il rumore fisiologico. Saranno formati vettori di contrasto per identificare la risposta del SNC allo stimolo dell'esercizio. Gli investigatori formeranno mappe statistiche di quelle regioni del cervello che mostrano una diminuzione/aumento del segnale BOLD dopo l'intervento dell'esercizio. Queste mappe statistiche saranno utilizzate nei contrasti per intervento e tra gruppi di partecipanti. I risultati saranno raggruppati in un secondo livello, analisi di gruppo di effetti casuali (RFX) e aree cerebrali attive visualizzate con una probabilità corretta del tasso di scoperta falsa P <0,05, k> 5. Queste analisi sono state precedentemente effettuate e pubblicate dal nostro gruppo. I dati ASL saranno corretti dal movimento e modellati per quantificare la perfusione in ml/100 g/min e le misure di perfusione globale e regionale confrontate prima e durante l'intervento di esercizio. I dati TRUST verranno utilizzati per calcolare l'estrazione frazionata di ossigeno prima e durante l'intervento di esercizio. I dati saranno presentati come media +/- errore standard della media (SEM). I confronti binari saranno effettuati mediante t-test mentre i confronti multipli saranno effettuati con un'analisi della varianza con una correzione di Bonferroni post-hoc tra i 3 gruppi. Gli effetti delle citochine, della vitamina D e della durata della malattia saranno studiati attraverso un coefficiente di correlazione e un'analisi multivariata post-hoc.

Gli investigatori stratificheranno i soggetti in base alle misure di esito quantitativo: tasso di risintesi della PCr, fitness cardiorespiratorio misurato attraverso VO2max, declino della produzione muscolare e variazione della perfusione regionale e estrazione frazionata di ossigeno cerebrale indipendentemente dal loro stato di affaticamento. Questo ci aiuterà a capire quali alterazioni della fisiologia e del metabolismo sono meglio associate a specifici sintomi di affaticamento. Ciò consentirà la quantificazione oggettiva di un cut-off soggettivo per la scala della fatica IBD, definendo così meglio la fatica.